Spatial and temporal spectral variability of daylight: effects on non-image forming potentials in urban settings
Creators: name: Diakite-Kortlever, Aicha K.
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2023
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::621 Angewandte Physik
subject: daylight
subject: spectral sky models
subject: spatio-temporal variability
subject: urban daylighting strategies
subject: non-image forming potential
subject: data-driven modelling

description: The spatial and temporal variability of daylight, both in intensity and colour, plays a vital role in creating sustainable, energy-efficient, and healthy urban environments. While there are many studies on the non-uniformity of the photometric attributes of skylight, relatively little is known about the anisotropic behaviour of its spectral properties. In order to correctly simulate spectrally selective responses—for example, the non-image forming (NIF) effects—an accurate spatially and temporally resolved spectral characterisation of daylight variability is required. High-precision spectral radiance sky measurements over a long period are needed for such characterisation. However, spectrally and spatially resolved daylight measurements are cost- and labour intensive. As a result, only four institutes worldwide currently collect this kind of data, leading to a high demand for both accurate spectral models and simplified methods to calculate the spectral characteristics of daylight. Hence, the work in this thesis seeks to understand how to accurately measure, model, and apply the spatio-temporal spectral characteristics of daylight for simulations of NIF effects in urban settings. The aim of this doctoral thesis is twofold: (i) to investigate workflows based on spectral sky models for advanced spectral simulations; and (ii) to develop a simplified orientation-dependent spectral tool for practical use at the early stage of planning. Three research actions formulate the methodological framework of this thesis. Two actions test the predictive accuracy of the methods underlying the spectral workflow to assess the daylight’s NIF effectiveness, namely, the spectral sky models and the spectral power distribution (SPD) reconstruction procedure. The third action is a parameter study to identify NIF potentials in urban settings. All three actions are based on long-term terrestrial spectral radiance skylight measurements conducted at the daylight measuring station of the Technische Universität Berlin. The outcomes of this thesis confirm that both the spectral sky models and the SPD reconstruction procedure can be employed in the spectral workflow to assess NIF effects. The spectral workflow has a proven a high level of accuracy in predicting the NIF responses of daylight above 10,000 K but the spectral sky models for lower CCTs require further elaboration. In addition, for early-stage design, a simplified orientation-dependent CCT tool has been developed, termed spectral daylight potential diagrams (SDPDs), which provides directional CCTs that vary based on architectural and environmental factors. This thesis is the first to investigate the accuracy of the spectral workflow to assess NIF effects based on spectral sky models, which is of importance for both research and practice. The findings of this research collectively confirm the significance of determining an accurate spatio-temporal characterisation of daylight variability to correctly assess NIF potentials in the urban context. Using the currently available non-spatio-temporal standard illuminant D65 for simulating NIF effects underestimates NIF metrics in the planning phase, potentially leading to higher usage of electric lighting and associated energy demands in our living spaces. Furthermore, the novelty of the proposed SDPDs at the façade level makes it accessible for designers and planners to consider daylight's spectral and NIF potentials in urban planning. Knowledge of daylight's spectral and NIF potentials furthers science-informed designs based on biological, physiological, and psychological human needs, promoting a healthy built environment.
description: Die räumliche und zeitliche Variabilität des Tageslichts, sowohl photometrisch als auch farbmetrisch, spielt eine entscheidende Rolle bei der Schaffung nachhaltiger, energieeffizienter und gesunder städtischer Umgebungen. Während zahlreiche Studien über die Inhomogenität der photometrischen Eigenschaften des Himmels vorliegen, ist verhältnisweise wenig über das anisotrope Verhalten seiner spektralen Eigenschaften bekannt. Um jedoch spektral selektive Reaktionen, wie die nicht-visuellen Wirkungen des Tageslichts, korrekt simulieren zu können, ist eine akkurate räumlich und zeitlich aufgelöste spektrale Charakterisierung des Tageslichts entscheidend. Für eine derartige Charakterisierung sind hochpräzise Messungen der spektralen Strahldichte des Himmels über einen langen Zeitraum erforderlich. Spektral- und ortsaufgelöste Tageslichtmessungen sind jedoch kostenund arbeitsintensiv. Daher erheben derzeit nur vier Institute weltweit diese Art von Daten, was zu einem hohen Bedarf an präzisen Himmelsmodellen und vereinfachten Methoden zur rechnerischen Bestimmung der spektralen Eigenschaften vom Tageslicht führt. Diese Doktorarbeit verfolgt zwei Ziele im Hinblick auf die akkurate Charakterisierung des spektralen Tageslichtangebots zur Bewertung nicht-visueller Effekte: (i) die Untersuchung der Vorhersagegenauigkeit des auf spektralen Himmelsmodellen basierenden Simulationsworkflows, und (ii) die Entwicklung eines vereinfachten orientierungsabhängigen Farbtools für den praktischen Einsatz in der Entwurfsphase. Drei Forschungsstudien bilden den methodischen Rahmen dieser Arbeit. Zwei Studien testeten die Vorhersagegenauigkeit der Methoden zur Bewertung der nicht-visuellen Effektivität von Tageslicht in einem Simulationsworkflow. Bei den Methoden handelt es sich zum einen um die spektralen Himmelsmodelle und zum anderen um das Verfahren zur Rekonstruktion des Spektrums vom Tageslicht. Die dritte Studie umfasste eine Parameterstudie zur Ermittlung des nichtvisuellen Potenzials in städtischen Umgebungen unter Zuhilfenahme eines vereinfachten Farbtools. Alle drei Untersuchungen basieren auf langjährigen terrestrischen Messungen der spektralen Strahldichte des Himmels, die an der Tageslichtmessstation der Technischen Universität Berlin durchgeführt wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass sowohl die spektralen Himmelsmodelle als auch das Rekonstruktionsverfahren für den spektralen Simulationsworkflow zur Bewertung nicht-visueller Effekte herangezogen werden können. Der spektrale Simulationsworkflow hat eine hohe Genauigkeit in der Vorhersage von nicht-visuellen Tageslicht Wirkungen oberhalb 10.000 K bewiesen, erfordert jedoch eine weitere Ausarbeitung der spektralen Himmelsmodelle für niedrigere ähnlichste Farbtemperaturen. Darüber hinaus wurde für die frühe Entwurfsphase ein vereinfachtes orientierungsabhängiges Farbtool entwickelt, mit dem so genannte Spectral Daylight Potential Diagrams (SDPDs) berechnet werden, welche die richtungsabhängige ähnlichste Farbtemperatur in Abhängigkeit von architektonischen und umgebungsbedingten Faktoren bereitstellen. Diese Arbeit ist die erste umfassende Untersuchung der Genauigkeit von gerichteten spektralen Tageslichtcharakteristiken in Bezug auf nicht-visuelle Effekte, die sowohl für die Forschung als auch für die Praxis von Bedeutung ist. Die Ergebnisse bestätigen die Bedeutung einer akkuraten räumlich und zeitlich aufgelösten spektralen Charakterisierung des Tageslichts für die Bewertung des nicht-visuellen Potenzials im städtischen Kontext. Die Verwendung der derzeit verfügbaren, uniformen Normlichtart D65 für die Simulation von nicht-visuellen Effekten unterschätzt das nicht-visuelle Potenzial in der Planungsphase, was zu einem höheren Einsatz von elektrischer Beleuchtung und einem damit verbundenen höheren Energiebedarf führen kann. Mit Hilfe der neuartigen, vorgeschlagenen SDPDs können Designer und Planer, die spektralen und nicht-visuellen Potenziale des Tageslichts in der Stadtplanung berücksichtigen. Die Kenntnis der spektralen und nicht-visuellen Potenziale des Tageslichts ermöglicht wissenschaftlich fundierte Entwürfe, welche die biologischen, physiologischen und psychologischen Bedürfnisse des Menschen berücksichtigen und eine gesunde gebaute Umwelt fördern.