Performance of advanced daylighting systems for functional lighting in buildings at high latitudes

Use of daylight inside buildings has always had a strong focus and has been an important task for architects and other designers of all time. High ceilings, large windows and skylights are desirable situation for many, but the changes in the building structure because of energy efficiency has brought difficulties to get sufficient daylight into the buildings. The aim of this PhD is to study the possibilities and potentials for exploiting daylight as much as possible, in a commercial building. This will primarily be performed by means of innovative daylight systems, theoretically, in model scale and full-scale test. The first research result shows that there is great potential for the use of daylight systems for educational -and healthcare. The reason for this is primarily that the above functions have operating times that coincide with the availability of daylight, especially in the summer. Partial research carried out in this PhD has focused on daylight techniques in architectural and urban design, in ZEB and ZEN. New design concepts such as Zero Energy Neighborhoods (ZEN) have goals for energy efficiency on a larger scale than a single building. The literature study shows that the current regulations do not consider energy concepts construction in conjunction with other surrounding buildings in an urban area. Daylight access in a building is affected by the other nearby buildings, which must be considered to achieve good sun and daylight conditions for all buildings. There are several challenges associated with the utilization of daylight as a supplement to artificial lighting, and for the utilization of solar energy in our buildings. In Northern Europe, we have very low solar elevation for large parts of the year, which means less daylighting access in buildings located in urban and dense areas. It will be difficult to get sufficient daylight in through windows I dense urban areas, and especially on the lower floors. Workplaces by the facade will have sufficient illuminance throughout large parts of the working day with daylight coming in via window surfaces. This presupposes that there are no disturbing elements of sun protection that shield and prevent the entry of daylight. But this situation rarely happens on east, south or west oriented building. An extensive literature review of daylight systems resulted in several systematic reviews of light transmission efficiency, potential for energy savings and the potential of each system for use with low sun angle and cloudy skies. Horizontal daylight tubes and Laser-Cut panels (LCP) have been seen as the most relevant for further testing. An extensive laboratory testing with a scale model; and a subsequent theoretical test, with a 2- and 3-person office has been conducted with very promising results. The study has been internationally published and has received great attention. A full-scale experiment using quantitative, qualitative and a correlative method for testing a horizontal daylight system in an office, has been performed during the 2020/2021. Human appraisal of a daylight conditions in a room where daylight is delivered from HLP, in addition to the window, was tested through a qualitative study. The findings showed an improved experience of the room in a situation where daylight came through HLP and window, compared to a situation where the light came primarily via electric lighting. The study was published in a special issue of the Energy & Buildings Journal, which was dedicated to the IEA task (61) on integrative solutions for daylight and lighting. A long-term monitoring study of the amount of daylight delivered through a HLP, and energy use for luminaires in the full-scale test office was performed as well. The findings showed that HLP could supplement daylight with up to 300lux at 4m distance from the facade. Situation with a window and blinds (in a sunlight cut-off position) would give only up to 100lux at the same distance. An indication of the energy saving potential for artificial lighting was also found. The study is in the review process. Good interaction between different disciplines in a project is crucial in order to achieve project goals. In case of daylighting of buildings, the architecture, building physics and lighting technology need to collaborate. The research results should contribute to the easier and faster implementation of new technologies for the exploitation of daylight, by presenting the clear guidance to the overmentioned disciplines. This research will also be directly applicable to assignments in Norconsult and for future construction projects nationally and internationally.

Etter nesten fem år med studier og forskning på tema som dette prosjektet omhander ser vi noen endringer i positiv retning i forhold til fokus på dagslys og viktigheten av tilstedeværelse av dagslys. Det har blitt en relativ større interesse for dagslyssystemer og man antar at det er på grunn av at mange prosjekterende, rådgivere og arkitekter har mer tilgang til litteratur og erfaringer fra ulike systemer. Det vil si at man har fått en introduksjon til hvordan dagslyssystemer kan brukes og hvilke effekter dette har på både menneskets helse og på byggtekniske egenskaper (funksjonalitet og energi). Kandidaten har selv fått mange henvendelser fra eksterne og interne prosjekterende, rådgivere og arkitekter som har bedt om råd vedrørende anvendelse av dagslyssystemer. Den spesialkompetansen som kandidaten har utviklet gjennom prosjektet er også etterspurt fra NTNU og USN hvor dagslysdesign er et undervisningsfag. En av effektene av studiet/prosjektet er at studenter skal få lære om dagslyssystemer i både bachelor og master studier, og vil ha denne kunnskapen med seg ut i arbeidslivet. Med tanke på at prosjektet har gitt positive resultater forventer vi at implementering og bruk av dagslyssystemer i de ulike bygg øker i fremtiden. Resultatene fra dette PhD-studiet viser at bruk av dagslyssystemer i bygg har en positiv effekt på mennesker og energibruk. På grunn av klimaendringene, usikre priser på energi, og mer fokus på menneskets helse, er det generelt forventet at anvendelse av ny teknologi skjer i større grad enn tidligere, men i ulikt omfang. Det forventes at de oppnådde resultater i studiet/forskningen vil ha potensielle virkninger på en raskere innføring av flere dagslyssystemer i våre bygg, både ved private og offentlige bygg, og at effekten er at et slikt produkt oftere tas i bruk for å tilføre dagslys lenger inn i de ulike arealer i byggene våre. En potensiell langtidseffekt er at dagslyssystem blir et fast bygningselement ved planlegging av nye bygg for å øke dagslysstilgangen og redusere behov for kunstig belysning i deler av arealer. Det vil si å optimalisere belysningen i bygget. Videre kan man også benytte dagslyssystemer ved rehabilitering av eksisterende bygg, som vil gi helsemessige effekter for brukeren.

Formålet med PhD studiet er å utrede muligheter og potensialer for ytterligere reduksjon av energibehovet til belysning i næringsbygg, gjennom bruk av dagslyset. Bakgrunn for behovet er både nye signaler fra myndighetene om enda strengere krav til energieffektivisering av bygg, og trender i bygg og eiendomsmarkedet. En klar sekundær fordel for miljø- og helseforhold ville selvsagt bli større bruk av naturlig dagslyset og dets påfølgende kvalitative resultater. Prosjektet skal fokusere på innovative dagslyssystemer som kan føre dagslyset inn i rommet på en måte som gjør lyset brukbart for funksjonell belysning. Hovedfokus er på kontorbygg, og cellekontorer og landskap som er plassert nær fasade. Studiet skal redegjøre for hvilke rom og områder, og hvilke innovative dagslyssystemer implementert i fasade kan kombineres for å få dagslyset inne i form av funksjonell belysning. Hvis energikravet til belysning reduseres vil dette også medføre nedsatt kjølebehov, spesielt om dagslyset blir ført inn i rommet uten varmetilskuddet (noe som skjer om dagslyset kommer som vanlig gjennom vinduet). Studiet skal konsentrere seg om skandinaviske solforhold med tanken på å få pålitelig underlag som kan brukes videre av våre prosjekterende. Lys- og energiberegningene skal utarbeides for å finne bidraget fra det innovative dagslyssystemet, og hvor mye supplering som trengs fra det elektriske lyset. Større dagslystilskudd vil føre til direkte redusert energibruk til belysning, og sekundært redusert kjølebehov. Det er mange studier som viser et sparingspotensial på 30% kun som følge av at dagslyssystemer er tatt i bruk. Som siste delen i studiet vil det bli testet et utvalg av dagslyssystemer i et kontor, med avsluttende brukerundersøkelser. Her skal det dokumenteres brukertilfredshet og andre tilbakemeldinger i vanlig bruk. Studiet vil også være direkte anvendbart for både pågående oppdrag og kommende byggeprosjekter.