Sky luminance mapping for simulation-assisted lighting systems control in buildings

Abstract

Diese Dissertation beschreibt eine Prozedur zur Abbildung der Leuchtdichteverteilung des Himmels mittels Digitalfotografie und gleichzeitiger Messung der globalen horizontalen Beleuchtungsstärke. Aus Digitalbildern gewonnene Leuchtdichteverteilungen müssen kalibriert werden, um die Differenz zwischen gemessener und aus dem Bild errechneter globaler Beleuchtungsstärke zu berücksichtigen. Diese Kalibrierung umfasst eine einfache Faktorkorrektur für bewölkte Himmel ohne sichtbare Sonne sowie drei verschiedene Methoden für sonnige Himmel, um trotz des beschränkten Dynamikumfangs der Digitalbilder sinnvolle Resultate zu bekommen.<br />Die kalibrierten Leuchtdichteverteilungen werden in das Lichtsimulationssystem RADIANCE integriert, um die zu erwartenden Beleuchtungsstärken unter verschiedenen Himmelssituationen - von bedeckt bis wolkenlos sonnig - zu bestimmen.<br />Die Zuverlässigkeit der kalibrierten Leuchtdichteverteilungen zur Prognose von Beleuchtungsstärken wurde durch den Vergleich von Simulationsresultaten und tatsächlich gemessenen Werten bestimmt, sowohl im freien Feld als auch in Innenräumen. Der Vergleich ergab hohe Korrelation zwischen Simulationen und realen Messwerten.<br />Physikalisch genaue Simulationen können zur Unterstützung von proaktiven Regelungssystemen eingesetzt werden. Ein Prototyp für ein solches Regelungssystem wird in dieser Dissertation vorgestellt. Zentrale Komponente ist dabei eine Regelungsapplikation, die die Positionen von Beschattungselementen und die Dimmstufen von Leuchten steuern kann. Die mittels Digitalfotografie gewonnenen Leuchtdichteverteilungen wurden eingesetzt, um die aus verschiedenen Zuständen der Beleuchtungs- und Beschattungselemente resultierenden Beleuchtungsstärken zu simulieren.<br />Mittels einer gewichteten Nutzenfunktion wurden mehrere Zustandskombinationen bewertet, um die optimale Steuerungsentscheidung zu finden. Der Betrieb dieser simulationsgestützten Beleuchtungsregelung wurde über 16 Tage evaluiert, um den jeweils erreichten Beleuchtungskomfort und Energiebedarf zu ermitteln. Die Resultate zeigen, dass die simulationsgestützte Regelung auf Basis der kalibrierten Leuchtdichteverteilungen optimale Lichtbedingungen mit minimalem Einsatz von Kunstlicht erreichen kann.<br />

This thesis demonstrates a procedure for luminance mapping of real skies that makes use of digital photography and measurements of the horizontal global illuminance. Sky luminance distribution maps obtained from digital images must be calibrated to take into account the difference between the measured global illuminance and the illuminance resulting from initial luminance values of particular sky patches. The calibration procedure comprises a uniform correction of the luminance maps of cloudy skies without visible sun and three variants for calibrating the luminance maps of sunny skies. The resulting luminance maps are integrated into the RADIANCE lighting simulation system. The comparisons of simulated and measured indoor and outdoor illuminance levels show high correlation between simulated illuminance values (using calibrated sky luminance maps) and photometric measurements. The obtained sky luminance distributions can support simulation-assisted lighting control. A prototypical implementation of such a control system is presented. The controller application can control the position of movable window blinds and the dimming position of two luminaires.<br />Calibrated sky luminance maps are used to simulate the daylight availability inside a test space for actual skies and particular blinds positions. Various combinations of candidate control states of the blinds and luminaires are validated using a predefined utility function.<br />Based on the ranking of resulting performance indices the controller adjusts the positions of these devices. The results of a sixteen-day test show that the simulation-assisted lighting control, using calibrated luminance maps of real skies, can maintain optimal lighting conditions throughout the day while minimizing the use of artificial lighting.