Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8327
Main Title: Development and evaluation of a simulation-based adaptive shading control for complex fenestration systems
Translated Title: Entwicklung und Bewertung einer simulationsbasierten Jalousiesteuerung für komplexe Fenstersysteme
Author(s): Katsifaraki, Angelina
Advisor(s): Bueno, Bruno
Referee(s): Osterhaus, Werner
Bueno, Bruno
Wienold, Jan
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The necessity of solar control for the fenestration systems of commercial buildings has been extensively discussed over the past decades bringing forward issues such as energy efficiency, visual and thermal comfort, privacy, visual contact to the outside and aesthetics. However, a number of problems arising from manual control has been identified pointing towards the direction of automatized systems. Such systems continuously readjust the shading configuration in order to enhance comfort and energy efficiency during the day. To effectively address visual comfort, a balance between the two opposing aspects of daylight maximization and glare protection must be found; a task requiring a number of costly and sophisticated measurement devices. Therefore, driven by considerations of visual comfort, the implementation of automatic shading control systems presents difficulties which tend to increase with the sophistication of the system. The cost and the complexity of the commissioning process due to the extensive use of sensors inhibits the commercialization of multi-variate controllers. Additionally, the installation of multiple measurement devices in the office space leads to disturbance and low acceptance of the users. A new control system for venetian blinds and electric lights focusing on office spaces, which substitutes the illuminance sensors and luminance cameras with real-time daylight simulations, was developed to explicitly address both daylight and glare aspects. By using the Radiance-based Three-phase-method the required computational time was substantially reduced. Additionally, an optimization engine based on the principles of Fuzzy Logic was developed to evaluate the visual conditions in the room and decide on the trade-off between the horizontal and vertical illuminance before applying a shading configuration. Considerations of view contact to the outside, thermal comfort in the sense of overheating prevention, and adaptation of the system to the user wishes were taken into account to improve the overall user acceptance. For periods of low occupation, the solar heat gains, selectively accepted according to time and season, contributed to the heating and cooling energy demand reduction. Two controller prototypes were built and tested; one in a rotatable test facility at Fraunhofer ISE in Freiburg, Germany, and a second one in a real-life office in the same area. The purpose of the first prototype was to evaluate the accuracy with which the simulations predicted the horizontal and vertical illuminances in the room and to test and tune the overall operation of the controller. The second prototype was created to test the compatibility of the system with already existing components and to evaluate the user acceptance and the adaptation process under real-life operation conditions. An additional motivation was to identify weaknesses of the system perceived by a user unfamiliar to the control algorithm. To further investigate the potential of the controller a case study was conducted. Its purpose was to show the benefits of the new simulation-based controller over other shading control strategies and theoretically evaluate the reliability of the developed algorithm. The prototype testing revealed a well operating open-loop system and a good agreement between the simulated and the measured illuminance values. Although during normal operation the positioning accuracy of the system was reduced, the overall visual comfort in the room, defined by glare control and daylight provision, remained within the acceptable limits. During the real life testing the performance of the controller was considered an improvement over the previously installed system and despite the shortcomings due to the age and restrictions of the existing components the defined conditions were fulfilled. The theoretical comparison of the system showed the potential of important energy reductions in relation to other shading control strategies in combination with an improved glare control mechanism. However, the benefits of the glare control were found to depend greatly on the shading device used since perforated or specular reflecting systems were incompatible with the developed algorithm. By including any obstacles in the surroundings of the installation site in the controller simulation the controller adjusted its operation in order to avoid any unnecessary window coverage and to improve the daylight admission in the room.
Die Notwendigkeit für Sonnenschutz im Fensterbereich von Geschäftshäusern wurde während der letzten Jahrzehnte umfassend diskutiert. Dies brachte wichtige Themen wie Energieeffizienz, visuellen und thermischen Komfort, Privatsphäre, Sichtkontakt nach außen und Ästhetik hervor. Allerdings ergeben sich etliche Probleme aus der manuellen Steuerung der Sonnenschutzsysteme, wodurch automatisierte Systeme verstärkt im Fokus sind. Solche Systeme stellen das Sonnenschutzsystem im Tagesverlauf ein, um Komfort und Energieeffizienz zu verbessern. Um richtig auf den visuellen Komfort einzugehen, muss man das Gleichgewicht zwischen der Tageslichtmaximierung und dem Blendschutz bestimmen, die zwei gegensätzliche Aspekte sind. Dies erfordert üblicherweise eine Vielzahl von teueren, anspruchsvollen Messgeräten. Daher gibt es, bei Berücksichtigung des visuellen Komforts, verschiedene Schwierigkeiten und eine zunehmende Komplexität automatisierter Systeme. Die Kosten und die Komplexität des Inbetriebnahme-Prozesses behindern die Kommerzialisierung von multivariaten Steuerungen, bedingt durch die umfangreiche Nutzung von Sensoren. Außerdem führt die Installation von vielen Messgeräten in Büros zur Störung der Nutzer und eine geringe Akzeptanz . Ein neues Steuerungssystem für Jalousien und künstliches Licht in Büros, dass die Messgeräte für die Beleuchtungsstärke durch aktuelle Tageslichtsimulationen ersetzt, wurde entwickelt, um die zwei Aspekte Tageslicht und Blendung direkt anzusprechen. Unter Anwendung der radiancebasierten Three-Phase-Methode, wurde der Rechenaufwand erheblich verringert. Außerdem, wurde eine Optimierungs- Engine basierend auf dem Prinzip von Fuzzy Logic entwickelt. Damit beurteilte der Controller die visuellen Bedingungen des Raumes und entschied über den Kompromiss zwischen der horizontalen und vertikalen Beleuchtungsstärke, bevor er die Jalousieposition einstellte. Die Aspekte Sichtkontakt nach außen, thermischer Komfort, d.h. Überhitzungsschutz, und Adaptierung an die Präferenzen des Nutzers wurden berücksichtigt, um die Benutzerakzeptanz zu verbessern. Bei Abwesenheit des Nutzers trugen die solaren Wärmegewinne, die gemäß der Tageszeit und der Jahreszeit zugelassen wurden, außerdem zur Verringerung des Energiebedarfs für Heizung und Kühlung bei. Zwei Prototypen wurden aufgebaut und überprüft. Ein Prototyp wurde in eine drehbare Testanlage am Fraunhofer ISE in Freiburg, Deutschland, installiert und der andere in einem echten Büro im selben Gebiet. Der Zweck des ersten Prototyps war die Genauigkeit der Simulationen zu beurteilen, mit dem die horizontale und vertikale Beleuchtungsstärke im Raum berechnet wurde, und den Gesamtbetrieb der Steuerung zu überprüfen und zu kalibrieren. Der zweite Prototype wurde aufgebaut, um die Kompatibilität des Systems mit bereits bestehende Komponenten zu überprüfen und die Benutzerakzeptanz und Adaptierung unter realen Bedingungen zu bewerten. Eine weitere Motivation war das Erkennen von Schwächen des Systems durch Nutzer, die nicht mit dem Regelalgorithmus vertraut waren. Um das Potential des Controllers weiter zu untersuchen, wurde eine Fallstudie durchgeführt. Ihr Zweck war die Vorteile des Controllers gegenüber anderen Regelstrategien zu zeigen und die Zuverlässigkeit des entwickelten Algorithmus theoretisch zu bewerten. Die Erprobung des Prototypes zeigte eine funktionierende Steuerung und eine gute Übereinstimmung der Simulationsergebnisse und der Messwerte auf. Obwohl während des Normalbetriebs die Positioniergenauigkeit der Jalousien reduziert war, blieb der visuelle Komfort im Raum insgesamt, zusammengesetzt aus Blendschutz und Tageslicht, in akzeptablen Grenzen. Während der Erprobung im Büro, wurde das System als eine Verbesserung gegenüber dem bereits installierten System bewertet. Trotzt des Alters und weiteren Einschränkungen durch die bereits vorhandenen Komponenten, wurden die festgelegten Bedingungen erfüllt. Der theoretische Vergleich der Systeme zeigte das Potential zur Energieeinsparung im Verhältnis zu anderen Regelungsstrategien zusammen mit einem verbesserten Blendschutz. Allerdings hingen die Vorteile beim Blendschutz in hohem Maße von den eingesetzten Jalousien ab, da die perforierte oder die spiegelnde Komponenten mit dem entwickelten Steueralgorithmus nicht kompatibel waren. Durch Berücksichtigung von Hindernissen in der Umgebung des Installationsorts in der Simulation, passte der Controller seinen Systembetrieb an, um die unnötige Fensterverdunkelung zu vermeiden und den Tageslichteinfall zu verbessern.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9250
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8327
Exam Date: 18-Apr-2018
Issue Date: 2019
Date Available: 7-May-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): daylight simulation
glare
automation
shading
three phase method
Tageslichtsimulation
Blendung
Automatisierung
Sonnenschutz
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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