Models of optical characteristics of barrel-vault skylights: development, validation and application

By admitting natural light deep into a building and connecting occupants with the outside, skylights can improve the aesthetic look of buildings and increase occupant satisfaction. In addition, by allowing the entry of natural light electric light levels can be reduced thereby leading to energy savings. However, the potential energy benefits and amenities of skylights have not been fully exploited in today's building design due to some theoretical and technical challenges. The lack of design tools is one of the major hurdles building designers face to adopt such products and quantify their energy benefits. The optical characteristics of skylights are the significant factors affecting their energy benefits. Recognizing this gap, the SkyVision tool was developed to assist skylight manufacturers and building designers in developing appropriate skylight designs for given building types and daylighting applications. This paper describes the models implemented in SkyVision to compute the optical characteristics of barrel vault skylights with clear, fully translucent or partially diffusing glazing under beam and diffuse light. The models are based on the ray-tracing technique. Under diffuse light, two models are developed: (1) a luminance-based model when the sky luminance distribution is known, and (2) an illuminance-based model when the illuminance on a horizontal surface is rather known. The second model is simpler and faster and more suitable for annual performance calculation. Experimental measurements of the skylight transmittance were conducted under real sky conditions to validate the model predictions. The actual measurements compared reasonably well with the model predictions. The predictions from the luminance-based and illuminance-based models showed good agreement with each other. When applied to an example study, the models predicted that vault skylights with clear glazing are more effective than flat skylights with similar glazing in boosting the beam light transmittance, particularly in winter days. Translucent vault skylights are more effective than flat skylights with similar glazing in reducing solar heat gains, particularly in summer days. Translucent skylights may out-perform transparent skylights, particularly during sunny days in winter.Les puits de lumi\ue8re, qui font p\ue9n\ue9trer la lumi\ue8re naturelle aux profondeurs de l'immeuble et relient \ue0 l'ext\ue9rieur les personnes qui s'y trouvent, peuvent rehausser l'apparence des immeubles et augmenter la satisfaction des occupants. En outre, l'entr\ue9e de la lumi\ue8re naturelle permet de faire baisser la consommation de l'\ue9clairage \ue9lectrique et de r\ue9aliser ainsi des \ue9conomies. Cependant, quelques d\ue9fis th\ue9oriques et techniques ont emp\ueach\ue9 les concepteurs des immeubles d'aujourd'hui d'exploiter \ue0 fond les avantages \ue9nerg\ue9tiques \ue9ventuels et les commodit\ue9s des puits de lumi\ue8re. Un certain manque d'outil de conception est un des grands obstacles que doivent affronter les concepteurs d'immeubles qui cherchent \ue0 adopter un tel produit et \ue0 en quantifier les avantages \ue9nerg\ue9tiques. Ces avantages sont tributaires en grande partie des caract\ue9ristiques optiques des puits de lumi\ue8re. Pour combler cette lacune, on a mis au point l'outil SkyVision pour aider les fabricants des puits de lumi\ue8re et les concepteurs d'immeubles \ue0 \ue9laborer des puits appropri\ue9s pour certains types d'immeubles et pour les applications de l'\ue9clairage naturel. Ce m\ue9moire d\ue9crit les mod\ue8les qu'on a mis au point chez SkyVision pour calculer les caract\ue9ristiques optiques des puits de lumi\ue8re \ue0 vo\ufbte de berceau ayant un vitrage clair, enti\ue8rement translucide ou partiellement diffusant sous une lumi\ue8re diffuse ou des faisceaux lumineux. Ces mod\ue8les sont bas\ue9s sur la technique de lancer de rayons. On a \ue9labor\ue9 deux mod\ue8les sous une lumi\ue8re diffuse : (1) un mod\ue8le bas\ue9 sur la luminance quand la distribution de la luminance du ciel est connue, et (2) un mod\ue8le fond\ue9 sur l'\ue9clairement lumineux lorsqu'on conna\ueet plut\uf4t l'\ue9clairement lumineux sur une surface horizontale. Le deuxi\ue8me mod\ue8le est plus simple, plus rapide et mieux adapt\ue9 au calcul annuel des performances. On a effectu\ue9 des mesures exp\ue9rimentales de la transmittance du puits de lumi\ue8re sous des \ue9tats du ciel, afin de valider les pr\ue9visions du mod\ue8le. Il y a eu une correspondance assez bonne entre les mesures r\ue9elles et les pr\ue9visions du mod\ue8le. Il y a eu aussi une bonne correspondance entre les pr\ue9visions du mod\ue8le fond\ue9 sur la luminance et celles du mod\ue8le \ue0 base d'\ue9clairement lumineux. Quand on a appliqu\ue9 les mod\ue8les \ue0 l'\ue9tude des exemples, les mod\ue8les ont pr\ue9dit que les puits de lumi\ue8re \ue0 vo\ufbte ayant un vitrage clair sont plus efficaces que les puits plats ayant un vitrage semblable pour augmenter la transmittance des faisceaux lumineux, surtout pendant les journ\ue9es d'hiver. Quant aux puits \ue0 vo\ufbte translucide, ils sont plus efficaces que les puits plats ayant un vitrage semblable pour la r\ue9duction de l'apport de chaleur par rayonnement solaire, surtout pendant les journ\ue9es d'\ue9t\ue9. Il se peut que les puits de lumi\ue8re translucides aient un meilleur rendement que les puits transparents, surtout pendant les journ\ue9es ensoleill\ue9es d'hiver.Peer reviewed: YesNRC publication: Ye