Smart natural lighting systems

Abstract

Η διδακτορική αυτή διατριβή διερευνά τη φωτιστική και ενεργειακή απόδοση των φωτοσωλήνων. Οι φωτοσωλήνες αποτελούν καινοτόμα συστήματα φυσικού φωτισμού που μπορούν να μεταφέρουν το φως από την οροφή ή τις όψεις του κτιρίου, μέσω σωλήνων υψηλής ανακλαστικότητας, για μεγάλες αποστάσεις, και να προσφέρουν φυσικό φως σε χώρους που υπό άλλες συνθήκες δε θα είχαν πρόσβαση σε αυτό.Βάσει της ανασκόπησης της υπάρχουσας βιβλιογραφίας και των κενών που εντοπίστηκαν, η παρούσα διατριβή έχει σα στόχο να συνεισφέρει στη γνώση τη σχετική με την τεχνολογία των φωτοσωλήνων, μέσω πειραματικής εξέτασης της απόδοσής τους στο περιβάλλον της Ελλάδας, να μελετήσει τις υπάρχουσες θεωρητικές μεθοδολογίες και τα προσομοιωτικά εργαλεία υπολογισμού της απόδοσης των φωτοσωλήνων και την ακρίβειά τους να προβλέψουν την απόδοση στις συγκεκριμένες συνθήκες, να αναπτύξει μεθοδολογίες για την ακριβή πρόβλεψη της απόδοσης των φωτοσωλήνων, να διερευνήσει πώς θα μπορούσαν οι φωτοσωλήνες να συνδυαστούν με συστήματα τεχνητού φωτισμού και να υπολογίσει τη δυνητική εξοικονόμηση ενέργειας από τη χρήση τους. Αρχικά, δύο θεωρητικές μεθοδολογίες, οι μέθοδοι Luxplot και TTE αλλά και προσομοιώσεις εφαρμόστηκαν, αναλύθηκαν και τα αποτελέσματά τους συγκρίθηκαν. Η σύγκριση έδειξε ότι τα αποτελέσματα μπορούν να διαφέρουν σημαντικά. Για όλες τις εξεταζόμενες μεθοδολογίες, αναπτύχθηκαν σχέσεις που παρέχουν πιο άμεσα τη μέση Φωτεινότητα από ένα φωτοσωλήνα σε ορθογώνιου σχήματος χώρους. Παράλληλα, ένας φωτοσωλήνας εγκαταστάθηκε σε πειραματικό περιβάλλον ώστε να μελετηθεί η απόδοσή του στις συνθήκες της Αθήνας. Το σύστημα συμπεριλάμβανε το φωτοσωλήνα, λαμπτήρες LED, και αισθητήρα που αντιλαμβάνεται το φυσικό φως και ελέγχει τη φωτεινή ροή των λαμπτήρων. Ο πειραματικός χώρος βρίσκεται στην Πανεπιστημιούπολη του Πανεπιστημίου Αθηνών. Οι παράμετροι που καταγράφηκαν ήταν η εσωτερική και εξωτερική Φωτεινότητα. Η πειραματική περίοδος διήρκεσε από τις 28 Νοεμβρίου 2014 ως τις αρχές Αυγούστου 2015, με διακοπή κατά τη διάρκεια του Ιανουαρίου. Τα πειραματικά δεδομένα που συλλέχθηκαν δείχνουν ότι η μέση Φωτεινότητα από το φωτοσωλήνα κατά τη διάρκεια του πειράματος ήταν 100 lux, ενώ ο μέσος παράγοντας φυσικού φωτός λόγω του φωτοσωλήνα (Daylight Penetration Factor) είναι 0.15%, περίπου. Η μέγιστη τιμή Φωτεινότητας καταγράφηκε στο επίπεδο αναφοράς στις 26/04/2015, 12:15μμ με εξωτερική Φωτεινότητα περίπου 120 klux και ήταν 8.4 klux. Η ελάχιστη τιμή κατά την ίδια χρονική στιγμή ήταν 38 lux και η μέση Φωτεινότητα ήταν 1.043 lux. Οι περιοχές πολύ υψηλής Φωτεινότητας που παρατηρούνται στο επίπεδο εργασίας κατά τη διάρκεια ημερών με καθαρό ουρανό και ηλιοφάνεια, μειώνουν την ομοιογένεια, η οποία κατά μέσο όρο ήταν 0,26. Η ομοιογένεια βελτιώνεται σημαντικά για χαμηλότερες εξωτερικές Φωτεινότητες και όταν το επίπεδο εργασίας περιορίζεται σε χώρο μικρότερου εμβαδού. Οι τιμές εσωτερικής Φωτεινότητας που καταγράφηκαν παρουσιάζουν μεγάλη χρονική και χωρική μεταβλητότητα. Η ανάλυση που πραγματοποιήθηκε δείχνει ότι η μέση εσωτερική Φωτεινότητα μεταβάλλεται σε σχέση με την καθαρότητα του ουρανού και την εξωτερική Φωτεινότητα. Σημαντική μείωση των εσωτερικών επιπέδων φωτισμού παρατηρείται για υψηλές τιμές του παράγοντα Kd, (Δείκτης Αιθριότητας της Διάχυτης Ακτινοβολίας), δηλ. για πιο συννεφιασμένο ουρανό. Υπολογίστηκε πως σε συνθήκες καθαρού ουρανού, η μέση εσωτερική Φωτεινότητα μπορεί να είναι ως 5 φορές μεγαλύτερη από τη Φωτεινότητα σε συνθήκες νεφοσκεπούς ουρανού. Παρατηρήθηκε επίσης ότι η σχέση μεταξύ της εσωτερικής και εξωτερικής Φωτεινότητας είναι σχεδόν εκθετική. Χρησιμοποιώντας τα πειραματικά δεδομένα, αναπτύχθηκαν σχέσεις που επιτρέπουν τον υπολογισμό της μέσης εσωτερικής Φωτεινότητας από το φωτοσωλήνα στο επίπεδο αναφοράς, με ανεξάρτητη μεταβλητή την εξωτερική Φωτεινότητα. Ο Δείκτης Αιθριότητας της Διάχυτης Ακτινοβολίας επίσης ελήφθη υπόψη, αφού αναπτύχθηκαν 10 εξισώσεις, για 10 ομάδες τιμών Kd. Το R2 για τις σχέσεις που αναπτύχθηκαν κυμαίνεται μεταξύ 0.90 και 0.99.Κατόπιν, τα πειραματικά δεδομένα συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα που προσφέρουν οι σχέσεις που αναπτύχθηκαν με τη χρήση θεωρητικών μοντέλων και προσομοιώσεων. Η μέθοδος TTE αποδείχθηκε πως παράγει αποτελέσματα που διαφέρουν σημαντικά με τις πραγματικές τιμές. Τα αποτελέσματα από τη χρήση της μεθόδου Luxplot, καθώς και από τη χρήση των προσομοιώσεων παρουσιάζουν μεγαλύτερη ακρίβεια, με λάθος που κυμαίνεται μεταξύ 38 και 43%. Το λάθος των τριών αυτών μεθοδολογιών δε διαφέρει σημαντικά σα συνάρτηση των εξωτερικών συνθηκών φωτισμού. Η χρήση πειραματικών δεδομένων για την αξιολόγηση του τεχνητού φωτισμού που είχε εγκατασταθεί στο πείραμα δεν κατέστη δυνατή λόγω τεχνικών προβλημάτων. Έτσι, πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις και με στατιστικές μεθόδους υπολογίστηκε η εκτιμώμενη χρησιμοποιούμενη ισχύς για τεχνητό φωτισμό, σε ένα χώρο όμοιο με αυτό του πειράματος και με την ύπαρξη του ίδιου φωτοσωλήνα. Τα συστήματα φωτισμού που χρησιμοποιήθηκαν ήταν δύο: το ένα αναπαρήγαγε τη διάταξη του πειράματος, με λαμπτήρες γύρω από το φωτοσωλήνα, ενώ το δεύτερο περιελάβανε φωτιστικά LED, τοποθετημένα σε ορθό-κανονική διάταξη. Όλα τα συστήματα που χρησιμοποιήθηκαν ελέγχονταν από αισθητήρες φωτός.Από τα δεδομένα των προσομοιώσεων αναπτύχθηκαν σχέσεις που παρέχουν τη χρησιμοποιούμενη ισχύ του συστήματος τεχνητού φωτισμού, για το σύνολο της πειραματικής περιόδου και επί μέρους για κάθε μήνα. Οι ανεξάρτητες μεταβλητές σε αυτή την περίπτωση ήταν η εξωτερική Φωτεινότητα, η θέση του ήλιου (αζιμούθιο και γωνία ύψους) και ο δείκτης αιθριότητας της διάχυτης ακτινοβολίας. Τα τέσσερα συστήματα που δοκιμάστηκαν βρέθηκε να καταναλώνουν από 10 ως 38% λιγότερη ενέργεια, σε σχέση με το ίδιο σύστημα τεχνητού φωτισμού χωρίς την ύπαρξη φωτοσωλήνα και αισθητήρα φωτός. Σε σχέση με τις δυο διατάξεις τεχνητού φωτισμού, βρέθηκε πως στις διατάξεις όπου τα φωτιστικά σώματα είναι κατανεμημένα στο χώρο και όχι γύρω από το φωτοσωλήνα, παρέχουν μεγαλύτερη εξοικονόμηση και πιο ομοιογενή επίπεδα φωτισμού. Τα αποτελέσματα και οι προτεινόμενες σχέσεις που παρουσιάζονται σε αυτή τη διατριβή ισχύουν για το συγκεκριμένο περιβάλλον και τα φωτιστικά συστήματα. Ο στόχος ήταν να αναπτυχθούν μεθοδολογίες και όχι σχέσεις για γενικευμένη χρήση.