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B. Spasojevic:
"Sky luminance mapping for simulation-assisted lighting systems control in buildings";
Supervisor, Reviewer: A. Mahdavi, R. Hastings; Institur für Architekturwissenschaften, Abteilung Bauphysik und Bauökologie, 2007; oral examination: 2007-04-25.

This thesis demonstrates a simple procedure for sky luminance mapping of real skies that make use of digital photography and simultaneous measurements of the horizontal global illuminance. To overcome the limited dynamic range of digital cameras, an alternative method for detection of sunny skies and prediction of the amount of direct illuminance is proposed. The obtained sky luminance distribution patterns can support simulation-assisted ligthing systems control.
Sky luminance distribution maps obtained from digital images must be calibrated to take into account the difference between the measured global horizontal illuminance and the horizontal illuminance resulting from initial luminance values of particular sky patches. The calibration procedure comprises a simple uniform correction of the sky luminance maps of cloudy skies without visible sun and three variants for calibrating the sky luminance maps of sunny skies. The resulting calibrated luminance maps, integrated into the RADIANCE ligthing simulation system, provide the sky luminance distribution models for predictions of illuminance levels under various skies, ranging from overcast to clear sunny.
The reliability of calibrated sky luminance maps for predicting indoor and outdoor illuminance levels is evaluated by comparing the simulation results and respective photometric measurements. The measurements of horizontal illuminance caused by different sky portions are compared with respective simulation results, using three sets of calibrated luminance maps, to assess the accuracy of outdoor illuminance predictions. To evaluate the performance of luminance maps for predicting the indoor illuminance distributions, the illuminance measurements in a real office with two casement windows, performed over sixteen days for multiple measurement points and seven distinct positions of automated window blinds, are compared with corresponding simulation results. These comparisons show high correlation between simulated illuminance values (using calibrated sky lumincan maps) and photometric measurements.
Accurate building simulation tools can support proactive building systems control. A prototypical implementation of a simulation-assisted lighting systems control is presented. The central component is a controller application that can control the position of movable window blinds and the dimming position of two luminaires. Calibrated sky luminance maps are used to predict the daylight availability inside the test space for actual skies and particular blinds positions. The simulated daylight availability and the contribution of the two luminaires, obtained from in-field measurements for specified dimming states, are used to estimate the horizontal illuminance on two working places for a particular time step. Using a set of weights and preference indices, a predefined utility function is calculated for various combinations of candidate control states of automated window blinds and dimmable luminaires. The ranking of the achieved performance of all combinations determines the best future states of the window blinds and the luminaires. The operation of this simulation-assisted lighting systems control over sixteen days is documented in terms of achieved lighting comfort and expected power requirement. The results that the simulation-assisted lighting control, making use of calibrated luminance maps of real skies, can maintain optimal lighting conditions throughout the day, while minimizing the use of artificial lighting.

Diese Dissertation beschreibt eine einfache Prozedur zur Abbildung der Leuchtdichteverteilung des Himmels mittels Digitalfotographie und gleichzeitiger Messung der globalen horizontalen Beleuchtungsstärke. Dabei wird eine alternative Methode zur Erkennung von sonnigen Himmeln und zur Prgonose der direkten Beleuchtungsstärke vorgestellt. Die so gewonnenen Leuchtdichteverteilungen können u.a. für simulationsgestützte Beleuchtungsregelung verwendet werden.
Aus Digitalbildern gewonnene Leuchtdichteverteilungen müssen kalibrierte werden, um die Differenz zwischen gemessener und aus dem Bild errechneter globaler Beleuchtungsstärke zu berücksichtigen. Diese Kalibrierung umfasst eine einfache Farbkorrektur für bewölkte Himmel ohne sichtbare Sinne sowie drei verschiedene Methoden für sonnige Himmel, um trotz des beschränkten Dynamikumfangs der Helligkeitswerte üblicher Digitalbilder sinnvolle Resultate zu bekommen.
Die kalibrierten Leuchtdichteverteilungen werden in das Lichtsimulationsprogramm RADIANCE integriert, um die zu erwartenden Beleuchtungsstärken unter verschiedenen Himmelssituationen - von bedeckt bis wolkenlos sonnig - zu bestimmen.
Die Zuverlässigkeit der kalibrierten Leuchtdichteverteilungen zur Prognose von Beleuchtungsstärken wurde durch einen Vergleich von Simulationsresultaten und tatsächlich gemessenen Werten bestimmt. Zur Evaluierung von Außensituationen wurden drei Reihen von kalibrierten Leuchtdichteverteilungen verwendet, um die Außenbeleuchtungsstärken zu simulieren. Danach wurden diese Simulationsresultate mit fotometrischen Messungen verglichen. Für die Evaluierung von Innenraum-Situationen wurden in einem echten Büroraum mit zwei Kastenfenstern über einen Zeitraum von 16 Tagen die Beleuchtungsstärken an mehreren Punkten gemessen, wobei das Beschattungssystem automatisiert zyklisch zwischen 7 verschiedenen Zuständen wechselte. Der Vergleich ergab hohe Korrelation zwischen Simulation und realen Messwerten.
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 Position der Beschattungselemente und die Dimmstufen der Leuchten steuern kann.
Die mittels Digitalfotografie gewonnen, kalibrierten Leuchtdichteverteilungen wurden eingesetzt, um durch Simulation die Tageslichtverfügbarkeit im Testraum bei verschiedenen Positionen der Beschattungselemente zu bestimmen. Dieser Wert, sowie die durch vorherige Messreihen ermittelten Beiträge zweier Leuchten, bestimmten die erwartete horizontale Beleuchtungsstärke auf zwei Arbeitsplätzen. Mittels einer gewichteten Nutzenfunktion wurden diverse Kombinationen von Beschattungs- und Leuchtenzuständen bewertet, um die optimale Steuerungsentscheidung zu finden. Der Betrieb dieser simulationsgestützen Beleuchtungsregelung wurde über 16 Tage evaluiert, um den jeweils erreichten Beleuchtungskomfort und Energiebedarf zu ermitteln. Die Resultate zeigen, daß die simulationsgestütze Regelung auf Basis der kalibrierten Leuchtdichteverteilungen optimale Lichtbedingungen mit minimalen Einsatz von Kunstlicht erreichen kann.

Spasojevic, Mahdavi, Sky Luminance Mapping, Leuchtdichteverteilung