Éclairage public
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Dans un monde où la consommation énergétique ne fait que croître ainsi que le prix de l’énergie, les collectivités locales ont tout intérêt à diminuer leur facture. L'éclairage public représentant environ 40% du budget alloué à l’électricité des villes, certaines ont donc décidé d’agir. Ainsi Oslo a adopté un système d’éclairage intelligent qui adapte l’intensité lumineuse en fonction des paramètres extérieurs tels que la fréquentation de la rue, l’heure ou le temps qu’il fait. Los Angeles a décidé de remplacer ses 140.000 ampoules traditionnelles par des LEDs, visant une réduction de consommation de 65 millions de kWh. Ces initiatives ne sont que des exemples, qui illustrent la prise de conscience de l’importance d’un poste de consommation tel que l’éclairage public.
Les besoins
Rôles et fonctions
La première utilité de l’éclairage public est de sécuriser l’espace public. Que ce soit au niveau des voies piétonnes, ou pour l’éclairage des routes. En effet, une route bien éclairée, c’est-à-dire sans coupure de luminaires, diminue le risque d’accident. L’éclairage a bien entendu une fonction de signalement, avec les feux tricolores. L’éclairage urbain sert enfin à mettre en valeur les monuments architecturaux et historiques, notamment pour le tourisme, mais également pour les spectacles en plein air.
Les caractéristiques de l'éclairage
- Les grandeurs lumineusesFichier:Courbe de survie.jpg
- L'intensité lumineuse I exprimée en candela [cd] représente la densité spatiale de flux lumineux, elle est mesurée dans une certaine direction. Le candela est l'intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540.1012 Hz et dont l'intensité énergétique est de 1/683 watt par stéradian. Cette fréquence correspond au maximum de sensibilité spectrale de notre rétine (couleur jaune-vert).
- Le flux lumineux exprimé en lumen [lm] est la somme du rayonnement fourni par une source lumineuse et évaluée par l'œil.
- L'éclairement est la quantité de flux lumineux tombant sur une surface de 1 m², il se mesure en lux [lx].
- L'exitance (ou émittance) est la quantité de flux lumineux émis par une surface, exprimée en lm/m².
- La luminance est la sensation de clarté pour l'œil, c'est l'intensité par unité de surface mesurée en cd/m².
- La température de couleur Tc
Tc est la température [en K] du corps noir dont le rayonnement présente la même chromaticité que celui de la lampe testée.
- Courbe de vie
Les lampes perdent peu à peu de leur efficacité, c'est pourquoi les constructeurs font en sorte qu'elles s'autodétruisent pour un flux lumineux trop faible. On essaye d'avoir une courbe de vie qui ressemble à la courbe orange.
- L'efficacité lumineuse d'une lampe K [lm/W], c'est le rapport du flux lumineux émis par la lampe (fla) à la puissance électrique (Pla) qu'elle absorbe. K=fla/Pla
Exigences de l'éclairage public
La norme européenne NF EN 13201 concernant l’éclairage, imposant les caractéristiques photométriques des installations d'éclairage public en France et les emplacements des lampadaires. Les nouvelles technologies de mesures (photomètres, caméras CCD, dispositifs de mesures in situ, luminancemètres numériques) permettent de mieux définir les paramètres de la norme et les caractéristiques de réflexion des chaussées pour une conception de l’éclairage public au plus juste en termes de performances qualitatives et énergétiques.
Les solutions techniques
Comme vu précédemment, l’éclairage public va devoir répondre à plusieurs exigences de base en matière d’éclairement, de sécurité et de coût, tout en optimisant les consommations énergétiques. Dans la mise en place d’une politique d’économie d’énergie au niveau d’une collectivité locale, il est possible d’intervenir à plusieurs niveaux et en plusieurs étapes. Dans un premier temps, il est pertinent de limiter la perte de flux vers la voute céleste en changeant par exemple, les anciens globes lumineux et en utilisant un éclairage directif vers le sol. Ensuite selon les moyens disponibles des actions à plusieurs niveaux peuvent être envisagées : diminuer les pertes électriques du luminaire en utilisant des ballasts appropriés, en installant des capteurs de présence ou de gradation du flux lumineux ou encore en mettant en place un planning d’éclairage. Enfin nous verrons que l’émergence des LED dans l’éclairage public ouvre de grandes perspectives dans l’économie d’énergie mais reste une avancée coûteuse que nombre de petites collectivités ne sont pas prêtes à assumer.
L’optique des luminaires
L’optique est la partie du luminaire situé au-dessus de l’ampoule qui réfléchi la lumière émise par la lampe. Même si c’est un élément qui peu paraître anodin, l’optique permet de gérer la directivité et la répartition du flux lumineux. Des optiques bien étudiées vont permettre un étalement de la lumière plus important que des optiques de base, tout en conservant un niveau de luminance similaire. Ainsi les espacements entre candélabres sont plus importants, le nombre de points lumineux est réduit ainsi que l’énergie nécessaire. De plus le flux sera concentré sur la surface à éclairer et non vers la voute céleste (globes lumineux) ou les façades de bâtiments.
Utiliser une optique adaptée est une chose encore faut-il l’entretenir. En effet avec le temps, de l’eau et des poussières pénètrent dans le luminaire et encrassent l’optique : l’efficacité d’une optique de base sans traitement peut passer de 100% à 75% au bout d’une dizaine d’années. Philips recommande un nettoyage tous les 4 ans pour maintenir les performances de ses luminaires. Il est donc intéressant de réfléchir au gain énergétique d’une optique propre comparé à la lourdeur de la maintenance…
Les ballasts
Les lampes les plus utilisées en éclairage public sont les lampes à vapeurs de sodium et les tubes fluorescents. On retrouve les tubes fluo pour l’éclairage des galeries et passages souterrains et les lampes à sodium pour les éclairages routier par exemple. Dans les deux cas ces lampes nécessitent un appareillage auxiliaire pour leur fonctionnement. Le ballast est un des éléments déterminants. Il a pour but de limiter la puissance additionnelle au démarrage des lampes, en accumulant de l’énergie dans un premier temps puis en libérant l’énergie nécessaire pour atteindre la tension d’arc de la lampe et assurer la fourniture correcte du courant. Il régule également l’intensité qui circule dans la lampe pendant son fonctionnement faisant économiser environ 10% de la consommation par rapport à une lampe sans ballast.
Deux types de ballasts sont présents sur le marché, le ballast ferromagnétiques (conventionnel, faibles pertes et très faibles pertes) et le ballast électronique. La différence essentielle se situe au niveau de la conception. Le premier constitué d’une bobine et d’un noyau de fer dégrade le cos ?, qui impacte directement sur les performances. De plus en plus, ce matériel tend à être remplacé par des ballasts gérés électroniquement. En effet depuis le 21 novembre 2005 la vente de luminaires équipés de ballasts ferromagnétiques standards est interdite. Seuls les ballasts à faibles pertes ou électroniques sont autorisés.
Les ballasts électroniques permettent d’augmenter la durée de vie d’une lampe de 60 % par rapport aux ferromagnétiques. En terme d’économie d’énergie, les ballasts électroniques sont tout aussi avantageux. En effet ils alimentent la lampe en haute fréquence : à flux constant la consommation est réduite de 10%. De plus ils détectent les lampes défectueuses et coupent leur alimentation : il n’y a plus d’amorçage inutile pour une lampe hors service.
La gestion du flux lumineux
Utiliser un matériel performant et économique est la base d’une politique d’économie énergétique. Seulement ces éclairages performants doivent être couplés avec une bonne gestion des flux lumineux. Est-il nécessaire de maintenir éclairé à pleine puissance une rue de zone industrielle ? Ne pourrait-on pas utiliser un gradateur de flux en fonction de l’occupation d’une zone ou de l’intensité lumineuse ambiante ? L’éclairage se doit d’être modulable en fonction de la fréquentation. Deux types de périodes sont définies. La période pleine correspondant à une forte demande d’éclairage lors d’importants flux d’utilisateurs (retours et départ au travail, entrée en bar de nuit, ouverture et fermeture des zones commerciales ou commerçantes…). A l’inverse la période creuse correspond à une période où les besoins lumineux sont moins essentiels. La définition de ces période revient à adopter une démarche personnalisée pour chaque zone (résidentiel, récréatif, commercial, industriel…) d’une même ville pour établir un planning d’éclairage. Pour cela des solutions technologiques existent déjà, embarquant des capteurs photométriques couplés à des variateurs de puissance.
D’un coté, un capteur crépusculaire ou une horloge va ordonner une demande lumineuse, en fonction d’une valeur minimale d’intensité lumineuse ambiante ou d’un horaire établi par la collectivité locale (1). Le capteur va transmettre le signal au variateur de puissance qui va dans un premier temps libérer la pleine puissance aux luminaires (2). Lorsque l’on atteint une période creuse, fixée par la programmation des capteurs, le régulateur va diminuer le flux lumineux de 40% en moyenne (3). Cette puissance est maintenue jusqu’au moment où les capteurs ordonnent un retour à une période pleine (4). Enfin le flux est coupé lorsque l’interrupteur crépusculaire ou l’horloge coupe l’alimentation (5).
Fichier:Planningeclairage1.JPG
Fichier:Planningeclairage2.JPG
Fichier:Planningeclairage3.JPG
Plusieurs avantages rendent ce genre d’éléments intéressants pour l’éclairage public.
- Des programmes d’horaire ou de seuil d’intensité lumineuse peuvent être programmés en fonction de la saison, de la période de l’année (périodes de vacances par exemple) ou du type de zone à éclairer. Ainsi les périodes creuses ou pleines sont ajustables, l’éclairage public peut être découpé par zone (voir graphiques ci contre) et optimisé en fonction de la fréquentation.
- L’économie d’énergie : la mise en place de planning d’éclairage permet de réduire les niveaux d’éclairement jusqu’à 20% de leur valeur nominale lors de périodes creuses. La consommation en sert d’autant réduite. Cette valeur peut être très variable et dépend des systèmes de gestion et des zones à éclairer.
- La modularité : les systèmes de variation de puissances s’adaptent en général sur tous types de lampes : ballons fluorescents, lampes à décharge sodium haute ou basse pression… Cela permet aux collectivités d’équiper un système d’éclairage déjà existant.
- Un retour sur investissement rapide, entre 2 et 5 ans suivant les configurations. On peut l’illustrer par un simple calcul. En considérant :
- 4000h d’éclairage annuel (11h heures par nuit)
- 2700h d’éclairage en période creuse (7h30 par nuit)
- Prix du kWh électrique : 0,07€
- Rue à éclairer : 1km sur les deux cotés, espacement de 70m entre chaque candélabre. 28 candélabres nécessaires, 150W chacun = 4200W
- Un système de régulation pouvant gérer un réseau de 5kw = 1200€ à l’achat
| % de réduction de la puissance nominale | Coût annuel sans réduction | Coût annuel avec réduction du flux | Economie/an | Coût variateur de puissance | Retour sur investissement en années* |
| 30 | 1400,00 € | 1116,50 € | 283,50 € | 1200 € | 4,2 |
| 40 | 1400,00 € | 1022,00 € | 378,00 € | 1200 € | 3,2 |
| 50 | 1400,00 € | 927,50 € | 472,50 € | 1200 € | 2,5 |
| *Le retour sur investissement est calculé en faisant le rapport du coût du variateur de puissance sur l'économie annuelle réalisée |
Il existe d'autre moyens pour gérer l'éclairage, ils dépendent directement du type d’utilisation et sont spécifiques à chaque cas. Citons par exemple la Passerelle Mangin à Grenoble, dont l’éclairage à entièrement été repensée par GEG. Cette passerelle est très fréquentée en début de matinée et en fin de journée mais complètement inutilisée en milieu de nuit. Partant de ce constat, GEG a équipé les deux extrémités du passage de capteurs de présence commandant directement les luminaires. Ainsi l’éclairage reste en veille toute la nuit et se lance immédiatement et à pleine puissance dès l’approche d’un passant. Bien entendu il est nécessaire d’équiper les luminaires de lampes adaptées à des allumages et extinction intempestives. Une telle démarche permet de diviser par neuf la consommation électrique par rapport à l’ancien système. Soit 6600 kWh/an économisés ou encore 720 kg de CO2/an non émis.
Les lampadaires producteurs d’énergie
Fichier:Windela.jpg En parallèles aux systèmes de gestions des luminaires déjà existants, on assiste aujourd’hui aux débuts des lampadaires indépendants. En effet des points lumineux pour l’éclairage public ont été développés pour fournir eux même leur énergie nécessaire à leur fonctionnement. Une éolienne verticale avec des pales de type Savonius et Darrieus, couplée à des cellules photovoltaïques permettent la complémentarité de la production d’électricité. Dans le cas où le vent et le soleil viennent à manquer, un jeu de batteries intégrées au mat permet d’assurer l’autonomie du lampadaire pendant quelques jours. Cette autonomie est possible grâce à l’utilisation d’un système d’éclairage par LED beaucoup plus économe que les lampes classiques. Ce système représente la meilleure économie possible en termes d’éclairage puisque le lampadaire n’est pas relié au réseau EDF. Cependant du fait de la nouveauté de la technologie, l’investissement de base reste supérieur à celui d’un candélabre classique couplé à un gradateur de flux. En effet il faut compter environ 6000€ par lampadaire indépendant. Mais selon la région d’utilisation et du gisement éolien et solaire, le retour sur investissement peut être rapide.
L’émergence de l’éclairage par LED
Le principe de l’éclairage par LED existe depuis une quarantaine d’années mais c’est que très récemment que l’on peut voir apparaître des applications au domaine de l’éclairage public. Pendant longtemps, beaucoup on considéré que la technologie LED n’était pas encore prête pour l’application à l’éclairage public. En effet les LED posent le problème d’émettre un flux lumineux intense mais très directif. C’est justement ce qui a été un défi pour les équipes de recherche et de développement des grandes firmes : réussir à diriger efficacement le flux lumineux dans la bonne direction. Ainsi de nombreux travaux ont étés menés quant à l’optique du luminaire accueillant un éclairage LED. On voit donc des systèmes permettant d’éclairer uniformément de grandes surfaces, tout en limitant les pertes de flux autour de la tâche lumineuse. Au final, la directivité de l’éclairage qui était un problème s’avérer être un atout en développant des optiques performantes. Certains aspects posent encore problème, comme la dissipation de la chaleur des modules d’alimentation des LED.
Avantages :
- Grande efficacité lumineuse : 112 lumens/W contre 85 lumens/W pour les lampes à vapeur de sodium classiques.
- Emission sur une faible partie du spectre : l’émission infrarouge est évitée et donc pas de transformation du flux lumineux en chaleur.
- Impact environnemental plus faible que les lampes à incandescence ou les lampes à décharges. Les LED ont une durée de vie très supérieure : environ 50 000h contre 8000h pour les tubes fluo et sodium haute pression, 1000h pour les incandescentes. Les LED ne contiennent pas de vapeurs toxiques comme les lampes à vapeur de sodium ou de mercure.
- Consommation moindre : 50 à 80% d’économie d’énergie par rapport aux lampes classiques à mercure ou sodium. Consommation neuf fois inférieure à une ampoule à incandescence.
- Eclairage directif : peu de fuites de flux lumineux. Cela induit une économie d’énergie pour une même zone à éclairer par rapport aux éclairages dispersifs classiques et une diminution de la pollution lumineuse.
L’éclairage LED tend à se démocratiser : Los Angeles donne l’exemple en lançant en juin 2009 un programme de modernisation de l’éclairage urbain. Objectif: changer les 140 000 ampoules traditionnelles et feux tricolores par des LED. La consommation sera réduite de 65 millions de kWh par an, soit une réduction de 40 500 tonnes de gaz carbonique émis, l’équivalent de 6000 voitures. Ces chiffres montrent à quel point la gestion de l’éclairage public est importante dans des villes de grande envergure.
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Exemple de produits
- LUXEON: La société Philips à mis au point un lampadaire à LED adapté à l’intégration dans l’environnement urbain
Panneau de 2x18 LED. Consommation de 150W. Durée de vie : 50 000h. Variation de la température de couleur et de la luminance, ce qui est impossible en éclairage classique. Démarrage instantané. Pas d’effet d’éblouissement. Environ 6000€ pièce.
- LUCIOLE d’Est Environnement, régulateur de l’éclairage public.
Le système luciole permet la gestion du flux lumineux des éclairages déjà existants, comme décrit précédemment. De 1150 à 2500€.
- WINDELA, les lampadaires autonomes
Mât de 12m. Démarrage pour un vent de 3 m/s jusqu’à 20m/s. 600 Wh de production pour un vent de 15 m/s. 150 Wh de production photovoltaïque. Eclairage à LED, consommation de 63 W. Durée de vie de 80 000h des LED. 30% moins cher qu'un lampadaire classique, pas de travaux de génie civil.
- ModuLight Design™, La société Suisse, CODE Lighting SA à developpé une gamme de foyers d'éclairage public à Led de puissance. L'optique Breveté permet une distribution de lumière unique et homogène sur la surface à éclairée. La gamme couvrant les puissances de 14w à 80w. Lumen depreciation: L70=100000h à Tj=55°C et Ta=25°C.
Pour le 40W à 7m de haut entraxe 30m , +10 lux homogènements répartis sur une surface 30m*7m.
Voir aussi
Liens internes
Liens externes
- Grandeurs lumineuses
- Norme NF EN 13201
- Influence des caractéristiques des lampes sur l'éclairage public
- Image Windela
- Développeur de lucioles
- Optiques Philips
- Informations sur les ballasts
- Utilisation des LED pour l'éclairage public
- L'éclairage public intelligent
- Qu'est-ce-que la LED?
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