Projekt

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Modeling and Simulation of Daylight Redirecting Systems

Titel Englisch Simulation-based assessment of daylight redirecting components for energy savings in office buildings
Gesuchsteller/in Wittkopf Stephen
Nummer 147053
Förderungsinstrument Projektförderung (Abt. I-III)
Forschungseinrichtung Technik & Architektur Hochschule Luzern
Hochschule Hochschule Luzern - HSLU
Hauptdisziplin Bauingenieurwesen
Beginn/Ende 01.06.2013 - 31.05.2016
Bewilligter Betrag 534'080.00
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Alle Disziplinen (2)

Disziplin
Bauingenieurwesen
Architektur, Urbanistik

Keywords (4)

daylight redirection systems, climate based daylight simulation, forward ray tracing, bidirectional scatter distribution function

Lay Summary (Deutsch)

Lead
Tageslichtlenksysteme ermöglichen eine optimale Nutzung von Tageslicht in Gebäuden. Sie lenken das Tageslicht von der fensternahen Zone, wo es zu viel ist, in die Tiefe des Raums, wo Bedarf besteht. Daher kann die Blendung reduziert und gleichzeitig Energie für elektrische Beleuchtung eingespart werden. Nur liegen keine verlässlichen Vergleichsdaten vor, mit denen man die Eignung von Tageslichtlenksysteme für verschiedene Gebäude, Ausrichtungen und Klimazonen prüfen und optimieren könnte.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Unser Ziel ist es ein Expertentool zu entwickeln unddamit die Eignung und Optimierung von Tageslichtlenksystemen für verschiedeneKlimazonen zu untersuchen. Dazu müssen neue Modelle entwickelt werden, mitdenen komplexe Oberflächeneigenschaften in einer klimabasierten Tageslichtsimulationhinreichend genau abgebildet werden können.  Man unterscheidet Tageslichtlenksysteme mitkleinen Strukturen, z.B. Mikroprismen, Textilien und Beschichtungen auf Glasoder grösseren Strukturen zu denen Lichtschwerter, hohle Lichtleiter undLamellen gehören. In experimentellen Versuchen werden die Modelle undImplementierungen validiert, bevor abschliessend Leistungsdaten fürverschiedene Tageslichtlenksysteme ermittelt und planerisch dargestellt werden.

Gesellschaftlicher Kontext

Im Zuge der Energiewende müssen vor allem Gebäudeeffizienter mit natürlichen Ressourcen umgehen und gleichzeitig die wachsendenKomfortansprüchen der Nutzer erfüllen. Mit unseren Arbeiten zeigen wir auf, inwelchem Mass dies mit Tageslichtsystemen möglich ist.

 

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 18.04.2013

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Publikationen

Publikation
Annual daylight simulations with EvalDRC – Assessing the performance of daylight redirection components
Bauer Carsten, Wittkopf Stephen (2016), Annual daylight simulations with EvalDRC – Assessing the performance of daylight redirection components, in Journal of Facade Design and Engineering, 3(3-4), 253-272.
A novel data-driven BSDF model to assess the performance of a daylight redirecting ceiling panel at the Calgary Airport Expansion
Grobe Lars Oliver, Müllner Katrin, Meyer Björn (2015), A novel data-driven BSDF model to assess the performance of a daylight redirecting ceiling panel at the Calgary Airport Expansion, in Proceedings PLDC 5th Global Lighting Design Convention, RomeVIA-Verlag, Gütersloh.
Progressive Photon Mapping for Daylight Redirecting Components
Schregle Roland, Grobe Lars Oliver, Wittkopf Stephen (2015), Progressive Photon Mapping for Daylight Redirecting Components, in Solar Energy, 114(0), 327-336.
EvalDRC: A tool for annual characterisation of daylight redirecting components with photon mapping
Schregle Roland, Bauer Carsten, Grobe Lars Oliver, Wittkopf Stephen (2015), EvalDRC: A tool for annual characterisation of daylight redirecting components with photon mapping, in CISBAT 2015 International Conference on Future Buildings and Districts, Vol. 1, LausanneEcole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne.
Characterisation and modelling of advanced daylight redirection systems with different goniophotometers
Krehel Marek, Kämpf Jérôme, Wittkopf Stephen (2015), Characterisation and modelling of advanced daylight redirection systems with different goniophotometers, in CISBAT 2015 International Conference on Future Buildings and Districts, Vol. 1, LausanneEcole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne.
Comparison of measured and computed BSDF of a daylight redirecting component
Grobe Lars Oliver, Noback Andreas, Wittkopf Stephen, Kazanasmaz Zehra Tuğçe (2015), Comparison of measured and computed BSDF of a daylight redirecting component, in CISBAT 2015 International Conference on Future Buildings and Districts, Vol. 1, LausanneEcole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne.
Three approaches to optimize optical properties and size of a South-facing window for spatial Daylight Autonomy
Kazanasmaz Tuğçe, Grobe Lars Oliver, Bauer Carsten, Krehel Marek, Wittkopf Stephen (2016), Three approaches to optimize optical properties and size of a South-facing window for spatial Daylight Autonomy, in Building and Environment, 102, 243-256.
An Out-of-Core Photon Mapping Approach to Daylight Coefficients
Schregle Roland, Grobe Lars Oliver, Wittkopf Stephen (2016), An Out-of-Core Photon Mapping Approach to Daylight Coefficients, in Journal of Building Performance Simulation, 9(6), 620-632.
Accordance of Light Scattering from Design and De-Facto Variants of a Daylight Redirecting Component
Noback Andreas, Grobe Lars Oliver, Wittkopf Stephen (2016), Accordance of Light Scattering from Design and De-Facto Variants of a Daylight Redirecting Component, in Buildings, 6(3), 30.
Climate based daylight simulations with EvalDRC – analysis of Daylight Redirecting Components
Bauer Carsten, Kazanasmaz Zehra Tuğçe (2017), Climate based daylight simulations with EvalDRC – analysis of Daylight Redirecting Components, in Journal of Facade Design and Engineering, 5(2), 45-57.
Computational combination of the optical properties of fenestration layers at high directional resolution
Grobe Lars Oliver (2017), Computational combination of the optical properties of fenestration layers at high directional resolution, in Buildings, 7(1), 22.
A hybrid data-driven BSDF model to predict light transmission trough complex fenestration systems including high incident directions
Krehel Marek, Grobe Lars Oliver, Wittkopf Stephen (accepted), A hybrid data-driven BSDF model to predict light transmission trough complex fenestration systems including high incident directions, in Journal of Facade Design and Engineering.

Zusammenarbeit

Gruppe / Person Land
Felder der Zusammenarbeit
Özkan Anil Töral, Yasar Üniversitesi, Izmir, Türkei (Europa)
- Austausch von Mitarbeitern
Murat Kurt, International Computer Institute, Ege University, Izmir (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Austausch von Mitarbeitern
Björn Meyer, Siteco Beleuchtungstechnik, Traunreut (Europa)
- Industrie/Wirtschaft/weitere anwendungs-orientierte Zusammenarbeit
Alexander von Hoffmann, Technische Hochschule Nürnberg (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
Greg Ward, Lawrence Berkeley National Laboratories (Nordamerika)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Austausch von Mitarbeitern
Jean-Louis Scartezzini, LESO EPFL Lausanne (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
Tugçe Kazanasmaz, Faculty of Architecture, Izmir Institute of Technology (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
- Austausch von Mitarbeitern
Helmut Köster, Köster Lichtplanung, Frankfurt (Europa)
- Industrie/Wirtschaft/weitere anwendungs-orientierte Zusammenarbeit
Bruno Bueno, Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
Carsten Bauer, Frankfurt (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Austausch von Mitarbeitern
David Geisler-Moroder, Bartenbach, Aldrans (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Industrie/Wirtschaft/weitere anwendungs-orientierte Zusammenarbeit
Katrin Müllner, Transsolar Energietechnik GmbH, Stuttgart (Europa)
- Industrie/Wirtschaft/weitere anwendungs-orientierte Zusammenarbeit

Wissenschaftliche Veranstaltungen

Aktiver Beitrag

Titel Art des Beitrags Titel des Artikels oder Beitrages Datum Ort Beteiligte Personen
15th International Radiance Workshop Vortrag im Rahmen einer Tagung Out-of-Core Photon Mapping: When More Isn't Enough 29.08.2016 Padua, Italien Schregle Roland; Bauer Carsten
15th International Radiance Workshop Vortrag im Rahmen einer Tagung EvalDRC - A new, versatile frontend for climate-based daylight assessment with contribution photon mapping 29.08.2016 Padua, Italien Bauer Carsten
15th International Radiance Workshop Vortrag im Rahmen einer Tagung Comparison of BSDF data generated by a virtual and a real goniophotometer 29.08.2016 Padua, Italien Wittkopf Stephen; Grobe Lars Oliver; Noback Andreas
PLDC 5th Global Lighting Design Convention Vortrag im Rahmen einer Tagung A novel data-driven BSDF model to assess the performance of a daylight redirecting ceiling panel at the Calgary Airport Expansion 28.10.2015 Rome, Italien Grobe Lars Oliver; Wittkopf Stephen
CISBAT 2015 Vortrag im Rahmen einer Tagung EvalDRC: A tool for annual characterisation of daylight redirecting components with photon mapping 09.09.2015 Lausanne, Schweiz Schregle Roland; Wittkopf Stephen; Grobe Lars Oliver
CISBAT 2015 Vortrag im Rahmen einer Tagung Comparison of measured and computed BSDF of a daylight redirecting component 09.09.2015 Lausanne, Schweiz Grobe Lars Oliver; Wittkopf Stephen; Noback Andreas
CISBAT 2015 Vortrag im Rahmen einer Tagung Characterisation and modelling of advanced daylight redirection systems with different goniophotometers 09.09.2015 Lausanne, Schweiz Krehel Marek; Wittkopf Stephen
Enhanced photon mapping in Radiance: Modelling and simulation of daylight redirecting components Vortrag im Rahmen einer Tagung Enhanced photon mapping in Radiance: Features 29.05.2015 Horw, Schweiz Schregle Roland
Enhanced photon mapping in Radiance: Modelling and simulation of daylight redirecting components Vortrag im Rahmen einer Tagung Enhanced photon mapping in Radiance: Application for annual daylight assessment 29.05.2015 Horw, Schweiz Noback Andreas
Enhanced photon mapping in Radiance: Modelling and simulation of daylight redirecting components Vortrag im Rahmen einer Tagung Enhanced photon mapping in Radiance: Modelling of daylight redirecting components 29.05.2015 Horw, Schweiz Grobe Lars Oliver
13th International Radiance Workshop Vortrag im Rahmen einer Tagung Measurement and modeling of a daylight redirecting component 01.09.2014 London, Grossbritannien und Nordirland Grobe Lars Oliver; Wittkopf Stephen
13th International Radiance Workshop Vortrag im Rahmen einer Tagung Ongoing Developments in Photon Mapping 01.09.2014 London, Grossbritannien und Nordirland Wittkopf Stephen; Schregle Roland
Light redirection and scatter: Measurement, modeling, simulation Vortrag im Rahmen einer Tagung Introduction to light scattering and goniophotometry 22.08.2014 Horw, Schweiz Grobe Lars Oliver
Light redirection and scatter: Measurement, modeling, simulation Vortrag im Rahmen einer Tagung The Radiance Photon Map Extension 22.08.2014 Horw, Schweiz Schregle Roland
8th Energy Forum "Advanced Building Skins" Vortrag im Rahmen einer Tagung Climate-based daylight simulation as a planning aid for the design of solar façades 06.11.2013 Bressanone, Italien Grobe Lars Oliver; Wittkopf Stephen


Selber organisiert

Titel Datum Ort
Light redirection and scatter: Measurement, modeling, simulation 22.08.2014 Horw, Schweiz

Veranstaltungen zum Wissenstransfer

Aktiver Beitrag

Titel Art des Beitrags Titel des Artikels oder Beitrages Datum Ort Beteiligte Personen
PLDC 5th Global Lighting Design Convention Vortrag 28.10.2015 Rome, Italien
Tageslichtlenkung - Technik und Modellierung (Workshop Solare Fassaden, Swissbau 2014) Vortrag 22.01.2014 Basel, Schweiz


Kommunikation mit der Öffentlichkeit

Kommunikation Titel Medien Ort Jahr
Referate/ Veranstaltungen/ Ausstellungen Tageslichtlenkung - Technik und Modellierung (Workshop Solare Fassaden, Swissbau 2014) Deutschschweiz 2014
Referate/ Veranstaltungen/ Ausstellungen Simulationswerkzeuge zur Tageslichtnutzung (Workshop Solar Fassaden, Swissbau 2016) Deutschschweiz 2016

Abstract

1 Summary 1.1 Problem Statement To leverage daylight for building illumination, Daylight Redirecting Components (DRC) are increasingly utilised. They improve illuminance levels in deep building zones. Hence, the energy demand for electrical lighting can be minimised and the physiological advances of daylight exploited. Technological advancements have brought about many different DRC, such as mirror lamellas, glazing with embedded reflecting blinds, laser-cut panels, prisms, holographic-optical elements, glass-fibre cables, light pipes, transparent insulation, compound parabolic concentrators (CPC), sunshade fabrics and others. However, the more complex the components are, the more difficult their planning in buildings becomes. There is little validated data available on the suitability of such components for different daylight conditions - in other words, which DRC yields the highest annual energy savings for a particular location. 1.2 Objectives Computational simulation will be used to derive the energy savings potential for selected DRC. Annual weather data - available for many locations - and the standard light simulation software Radiance – using performance criteria such as illuminance levels and glare probability – will be the starting point for this research. DRC are grouped into micro- and macrostructured. Microstructured DRC are typically arrays of small elements appearing as one homogeneous structure. Macrostructured DRC consists of one or few larger elements appearing as a non-homogeneous structure. The main challenge with microstructured DRC is the development of models describing their light scattering in Radiance. The main challenge with macrostructured DRC is the integration of a forward tracing algorithm with above software. The development of these models and algorithms, their validation through measurements and application for energy savings will be the core research objectives. The models and resulting energy saving potentials will be published internationally. 1.3 Technological Realisation The BSDF of selected DRC will be measured using goniophotometry. This data will be converted into BSDF models and integrated in Radiance. The DRC will be installed and measured at various locations with different daylight conditions such as Lucerne, London, Dubai, Istanbul and Singapore. The on-site measurements include acquisition of daylight distributions in front and behind the DRC using High Dynamic Range (HDR) photography. The setups will be modelled in Radiance and simulations will be compared to the measurements for validation. Subsequently, climate-based simulations for various DRC and locations will be performed and the resulting hourly values for illuminance levels and glare probability converted into energy savings potential for a typical office layout against a reference clear glazing without DRC. The proposed team has experience and publications in the relevant areas of goniophotometry, on-site measurements with HDR, BSDF modelling and analytical use and extension of Radiance.