Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section d'architecture, Institut des infrastructures, des ressources et de l'environnement ICARE (Laboratoire d'énergie solaire et physique du bâtiment LESO-PB)

Innovative bidirectional video-goniophotometer for advanced fenestration systems

Andersen, Marilyne ; Scartezzini, Jean-Louis (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 2941.

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    Summary
    Efficient collection and redistribution of the direct and diffuse components of daylight in buildings remains a major objective of advanced fenestration systems. Such systems, including novel solar blinds, new glazing or coating materials and daylight-redirecting devices, can improve significantly the penetration of daylight in deep rooms to reduce electricity consumption while improving visual comfort conditions greatly; at the same time, they can lead to larger solar gains in winter combined with lower solar loads in summer. To allow their integration in buildings and benefit from their potential as energy-efficient strategies, an in-depth and accurate knowledge of their directional optical properties is necessary. These properties are described by Bidirectional Transmission (or Reflection) Distribution Functions, abbreviated BT(R)DF, that express the emerging light flux distribution for a given incident direction. Such detailed transmission or reflection functions are intended to be used by the building industry to optimize the luminous performances of innovative solutions for windows and to describe photometric properties of complex glazing and shading materials according to a common format. On the other hand, they will allow daylighting simulation tools to improve their potentialities and integrate complex fenestration systems reliably in the simulation models. Their accurate assessment requires an appropriate experimental equipment. An innovative bidirectional goniophotometer, based on digital imaging techniques, was designed and set up for that purpose: instead of scanning the emerging light flux distribution by moving a sensor from point to point, an original method was used that comprises a rotating diffusing screen on which the emerging light flux is reflected towards a digital video-camera, used as a multiple-points luminance-meter. This novel approach significantly reduces the time needed to monitor BT(R)DF data, lowering it down to a few minutes per incident direction instead of several hours for conventional assessment methods, which is a critical parameter in BT(R)DF assessment as about a hundred incident directions are usually required. At the same time, it allows the gathering of continuous transmitted (reflected) light distribution figures, only limited in resolution by the pixellisation of the digital images. Moreover, by taking advantage of the considerable luminance range reached when images are captured and superposed at different integration intervals, combined to the appreciable flexibility in the data processing offered by digital imaging-based techniques, a remarkable accuracy can be achieved when assessing BT(R)DF data. This PhD thesis explains the different conception, calibration and processing stages that were necessary to develop the bidirectional goniophotometer into a functioning, validated measurement device. Its design for combining BTDF and BRDF assessments is described, the various calibration procedures for converting the CCD camera into a reliable multiple-points luminance-meter are detailed, as well as the image and data processing phases. An in-depth validation of the performed measurements was realized based on different approaches and led to a relative error on BT(R)DF data of only 10%, allowing to confirm the high accuracy and reliability of this novel device.
    Résumé
    Contrôler et redistribuer efficacement les composantes directe et diffuse de la lumière du jour dans les bâtiments fait partie des objectifs majeurs à remplir par les systèmes de fenêtre innovants. Ces systèmes comprennent à la fois les protections solaires, les nouveaux types de vitrage ou de revêtement et les dispositifs de captage de lumière naturelle et peuvent contribuer à d'importantes économies d'énergie: d'une part, les gains thermiques peuvent être augmentés en hiver et diminués en été; d'autre part, en améliorant la pénétration de la lumière du jour dans des pièces profondes, les consommations électriques peuvent être réduites de manière significative, tout en améliorant notablement les conditions de confort visuel. Pour intégrer ces systèmes dans les bâtiments et utiliser leur potentiel en économie d'énergie de manière effective, une connaissance précise et approfondie de leurs propriétés optiques directionnelles est indispensable. Celles-ci sont décrites par les fonctions bidirectionnelles de distribution en transmission (ou réflexion) - abrégées BT(R)DF -, qui décrivent la distribution dans l'espace du flux lumineux émergent pour une direction d'incidence donnée. De telles fonctions sont destinées à être utilisées par l'industrie du bâtiment afin d'optimiser les performances lumineuses de vitrages ou protections solaires innovants et de décrire leurs propriétés photométriques selon un format commun. Par ailleurs, les prestations des outils de simulation pour l'éclairage naturel pourront être élargies par la modélisation fiable de la propagation de la lumière naturelle en présence de systèmes complexes de fenêtre. Cette caractérisation précise requiert un équipement expérimental approprié. Un goniophotomètre bidirectionnel innovant, basé sur des techniques d'imagerie numérique, a été conçu et développé dans ce but: la conception classique d'un détecteur mobile se déplaçant d'une position à l'autre est remplacée par une méthode originale, qui consiste à analyser la lumière émergente après réflexion sur un écran diffusant rotatif à l'aide d'une caméra vidéo digitale, utilisée comme luminance-mètre à points multiples. Cette approche nouvelle réduit le temps de mesure de manière significative, ramenant celui-ci à quelques minutes par direction d'incidence au lieu de plusieurs heures; ce paramètre est particulièrement critique compte tenu que plus de cent directions d'incidence sont généralement requises pour caractériser un système. En outre, elle permet d'obtenir une mesure continue de la distribution de flux lumineux transmis (réfléchi), limitée en résolution uniquement par la pixellisation de l'image. De plus, en profitant de la dynamique de luminances considérable obtenue en superposant des images prises à différents temps d'exposition et de la grande flexibilité offerte par l'imagerie numérique dans le traitement des données, une précision et une efficacité remarquables peuvent être atteintes dans la mesure de fonctions BT(R)DF. Ce travail de thèse explique les différentes phases de développement, calibrage et traitement qui ont été nécessaires pour réaliser et valider un tel appareil de mesure. Les étapes de sa conception pour combiner des mesures en transmission et en réflexion sont décrites, ainsi que les nombreuses procédures d'étalonnage, d'acquisition et de traitement des images permettant de convertir la caméra CCD en un luminance-mètre à points multiples fiable. Une validation exhaustive des mesures a été réalisée en se basant sur différentes approches permettant de déterminer une erreur relative de seulement 10% sur les données BT(R)DF, confirmant ainsi la grande précision et fiabilité de cet appareil.