Design and Analysis of a Passive Lighting Device for a Sustainable Office Environment in Hot-Arid Climate Conditions

Visual comfort in office spaces improves not only productivity and wellbeing but also satisfaction and energy efficiency of the buildings. The objective of this research is to study the effect of one of the transporting daylighting systems (Anidolic Integrated Ceiling ‘AIC’) on the enhancement of the luminous interior environment and energy saving in office building through objective and subjective evaluations. The quantitative study was performed by measurement of the illuminance values in the physical model (1:4) under local luminous climate in two scenarios (with and without ‘AIC’) and by numerical simulation to calculate the daylight autonomy. The qualitative evaluations were achieved by using a field survey composed of four questions related to pleasantness, level of light and artificial lighting needs. Experimental study shows that the AIC offers high levels of illumination in quantitative terms result in moderate values of Daylight Factor (2% - 4%). Simulation results showed that more than 88% of energy consumption for electrical lighting can be saved. Subjective evaluation results indicate that in the test model (with AIC), 67% of participants felt more pleasant with the luminous environment, 74.19% considered that the level of light is sufficient and only 08 of 31 subjects need to use artificial lighting

Study of land use/cover change impacts on thermal microclimate using QGIS in urban agglomeration

Thermal comfort and air quality are major concerns for people living in urban areas. In the last decades, cities are growing quickly and the increased urbanization is leading to the expansion of cities, which changes the properties and composition of the landscape. However, the surface temperatures are increasing, globally, because of anthropogenic climate change. Land use and land cover change have been shown to have a significant effect on climate through various pathways that modulate land surface temperature and rainfall. The objective of this study is to understand how the land use and land cover change affects the thermal microclimate in the city of Biskra (Algeria) using QGIS for the period between 2010 and 2020. The analysis results reveal that the mean temperature of the city has increased by ~4 °C during the past decade with the most accelerated warming (~7 °C) occurring during the recent decade (2010 to 2020). Our study shows also that 32% to 56% of this observed overall warming is associated with land use/cover and the largest changes are related to changing vegetation cover as evidenced by changes to both land use and land covers classes and normalized difference vegetation index (NDVI)

Towards a new model of light quality assessment based on occupant satisfaction and lighting glare indices

This study looks at the effect of daylighting on human performance. It includes a focus on glare index combined with the actual feeling of users of the classroom as a way to assess indoor lighting quality. The main objective of this research is to understand the impact of daylighting from windows on the glare sensation and also to determine which glare index is the closest to human visual sensation under local daylighting conditions in Biskra, Algeria with highly luminous climate. The study used High Dynamic Range (HDR) photography, Evaglare and Aftab Alpha software to calculate the two glare metrics Daylight Glare, Index (DGI) and the Daylight Glare Probability (DGP). A survey was also used with 90 occupants under different lighting conditions (different configurations) in a design classroom. In order to link the mathematical model and the human assessment of glare, statistical regression analysis was used. We established a statistically compelling connection between daylighting and student performance

Developing neural networks to investigate relationships between lighting quality and lighting glare indices

The present work compares the ability of the two most used glare indices, the Daylight Glare Probability (DGP) and the International Commission on Illumination (CIE) Glare Index (CGI), using Multiple Correspondence Analysis (MCA) and Artificial Neural Networks (ANN). The research investigates the efficiency of indexes in predictive indoor lighting quality. This study was carried out by analyzing data from a survey administered to ninety students in real design classrooms in the city of Biskra, Algeria. The experiment was conducted using three different lighting indoor conditions: natural and artificial lighting and mixed lighting. The true prediction of the Daylight Glare Probability for the variable Comfortable was 60.60%, and for (CIE) Glare Index the prediction values were equal to 44.60% for the same variable

The virtual environments lighting quality assessment using the virtual reality

The computer simulation field opened up new application opportunities in architecture in the last decades. In particular, Virtual Reality (VR) and Immersive Virtual Environments (IVEs) enable to study the subjective experience in-vitro. This paper investigates the ability of VR coupled with immersive devices in providing users with a better spatial lighting understanding. The goal is to reason about the potentiality of VR and IVE on the lighting quality assessment studies involving final users. The research was carried out by analysing and comparing data of the spatial and lighting perception of users using conventional devices frequently used by researchers in the lighting field for running experiments: screens, video projectors, and VR. Three different virtual lighting conditions in a virtual environment were presented, and a survey was administered to twenty-six participants. Results show that immersive VR allows obtaining more significant correlations between lightning variables than the other devices. Besides, the statistical analyses highlight that VR navigation with immersive devices is associated with an overall better lightning perception of the virtual model than the other non-immersive devices tested in the experimentation. The findings also show that users prefer the immersive environment

Simulation et optimisation du système light shelf sous des conditions climatiques spécifiques, Cas de la ville de Biskra.

Après la crise pétrolière de 1972, le monde est tourné vers une nouvelle stratégie, qui consiste à réduire les émissions des gaz à effet de serre, afin de conserver la planète. Dans le bâtiment, la consommation d’éclairage électrique est très élevée, chose qui lui rend le premier consommateur d’énergie dans le monde. La nouvelle stratégie d’éclairage naturel consiste à réduire cette consommation par l’introduction de nouveaux systèmes écologiques d’optimisation de l’éclairage naturel dans le bâtiment, tels que l’installation d’un "système light shelf" au niveau de la fenêtre, qui sert d’une part, à augmenter le niveau d’éclairement dans les espaces ayant une grande profondeur, et par conséquent, réduire considérablement la consommation d’électricité pendant le jour et d’autre part, à réduire l’éblouissement et la surchauffe pendant l’été, ce qui conduit à l’assurance de confort visuel et thermique des occupants. L’objectif de cette recherche est de choisir la configuration de système light shelf la plus adéquat au climat de la ville de Biskra, surtout que cette dernière dispose d’un potentiel lumineux très important, dans le but d’apporter la lumière naturelle au fond de l’espace et d’assurer à la fois un éclairement uniforme, une ambiance lumineuse et une couverture des besoins d’ombrage de cet espace. La détermination de cette configuration nécessite la connaissance de climat lumineux de la ville. Pour aboutir à ces objectifs, nous proposons une simulation informatique par l’utilisation des logiciels ECOTECT 5.5, RADIANCE et NOOR 1.1 et une expérimentation à l’aide d’un modèle réduit. Cette expérience va nous conduire à faire une évaluation quantitative et qualitative de l’environnement lumineux d’un espace architectural équipé d’un système light shelf sous des conditions climatiques spécifiques pour la ville de Biskra. Notre travail est divisé en deux parties, la première englobe toutes les notions de base de la lumière naturelle, le confort visuel, l’ambiance lumineuse et les différents systèmes d’optimisation de la lumière naturelle et plus profondément le système light shelf. Cette partie regroupe les chapitre I, II et III. La deuxième partie est celle qui apporte de nouveau dans cette recherche, elle représente les résultats obtenus par la simulation et l’optimisation de système light shelf dans un espace architecturale dans la ville de Biskra, elle regroupe les chapitre IV, V et VI

Modélisation du système anidolique pour un environnement lumineux intérieur intégré

Plusieurs recherches ont prouvé que la lumière du jour offre plusieurs avantages sur l’être humain sur différents plans physiologique et psychologique. Dans les espaces de bureaux, un bon éclairage naturel permet de créer une atmosphère intérieure confortable, d’augmenter la productivité des employés et de réduire également la facture énergétique du bâtiment. L’objectif de notre étude est de modéliser un système de plafond anidolique pour assurer un environnement lumineux intérieur intégré. Pour cela, deux méthodes d’investigation et d’analyse ont été utilisées. La première est une méthode de simulation qui a comme but, d’une part de modéliser un système anidolique spécifique pour la ville de Biskra en recourant à la simulation numérique, et d’autre part, d’analyser l’aspect quantitatif et qualitatif qu’apporte le système dans un espace construit à l’aide d’un modèle physique. La deuxième méthode consiste à développer un questionnaire afin d’étudier les différentes appréciations subjectives des participants vis-à-vis de l’environnement lumineux à l’intérieur du modèle physique dans différents scénarios et situations. Les résultats de l’évaluation quantitative de la performance du système de plafond anidolique intégré (PAI) montrent que le modèle de test (modèle équipé d’un PAI) permet d’avoir une large zone de confort (60% de la surface totale) caractérisée par un éclairement compris entre 300 lux et 500 lux et à douze mètre de la fenêtre, l’éclairement de ce modèle est cinq fois plus élevé par rapport à celui de référence (modèle sans PAI). Les résultats montrent aussi que l’autonomie d’énergie qu’offre le modèle de référence est très faible de l’ordre de 19 % par rapport au modèle de test qui atteint 60 %. De plus, l’étude a montré que pour un facteur de lumière de jour annuel moyen de 1.83 % (500 lux), le système d’éclairage électrique On/Off Switching reste éteint d’environ 50 % durant l’année et plus de 70 % d’autonomie de l’éclairage peut être gagné si le mode électrique utilisé est le système Dimming Switch. De plus, l’évaluation du phénomène de l’éblouissement a démontré que le modèle de test réduit de manière significative le risque d’éblouissement à 34 % en moyenne par rapport au modèle de référence quelque soit la position de l’observateur. Les résultats de l’évaluation qualitative issue du questionnaire montrent que les réponses positives des participants, par rapport au modèle de test, ont confirmé que la distribution de la lumière est plus uniforme et suffisante en quantité avec un contraste bien défini. Les statistiques démontrent également que le système de PAI a contribué de manière considérable à l’éclairage de l’espace, 59.67 % des sujets étaient satisfaits de l’éclairage et 61.28 % de l’uniformité de la distribution lumineuse, 53.22 % étaient satisfaits de la quantité de lumière présente et 59.67 % ont pu définir le contraste. Les résultats indiquent aussi que les participants ont préféré l’éclairage et l’ambiance lumineuse créés par le PAI. Les sujets ont recouru aux trois échelles positives des adjectifs suivants : ‘agréable’, ‘stimulante’, ‘ordonnée’, ‘claire’ et ‘passive’ afin d’exprimer leurs satisfaction et leurs sensations. De plus, 60 % des participants ont considéré l’espace équipé du PAI comme plus ouvert, plus spacieux et plus lumineux que celui de référence. L’interprétation des graphiques a montré que les gens étaient satisfaits de leur environnement lumineux lorsque le D.GI.P présente des valeurs inférieures à 20 %. Pour le modèle de test, toutes les valeurs de D.GI.P enregistrées étaient comprises entre 02 % et 20% (éblouissement imperceptible) et les participants ont recouru à des appréciations positives (échelle 6 et 7)

Influence of scale on the daylighting system evaluation in physical models: Experimental method based on objective and subjective measurements

The daylight evaluation in architectural spaces can be carried out using several tools and methods of investigation and analysis. However, many types of research have proven the usefulness of the scale models to evaluate daylighting system performances in buildings. Several scales of a physical model have been used varying between (1:50) and real scale (1:1), and no comparative study has been done to evaluate the effect of the model size in daylighting assessment. The objective of this investigation is to make a comparison between two different scales of a physical model: the first one is a model with a scale of (1:12) while the second is with the scale of (1: 4), aiming to study the scale effects on daylight perception with models equipped with a daylighting system under very high exterior illuminance levels. The methodology of this study consists in collecting simultaneously the measurement of the exterior and interior illuminance level (lux) and subjective evaluations from a questionnaire survey with the two scale models (1:4 and 1:12) under real sky conditions. A correlation between collected data has been explored. Comparing the measurement results, it is obvious that the quantity of light that penetrates the test models (1:4 and 1:12) was the same. The results are with a range of ±1.6%. Moreover, survey results show that the participants’ perceptions regarding satisfaction, light distribution and glare questions differ with the scale of the physical 3D model. The subjects felt more satisfied with the luminous atmosphere with the physical model of (1:4) compared with the model of (1:12)

A Combined Method for an Exhaustive Investigation of the Anidolic Ceiling Effect on Improving Indoor Office Daylight Quality: an Approach Based on HDR Photography and Subjective Evaluations

Lighting quality in office environments is a broad concept that must be taken into account in the design stage to deliver comfortable spaces to reduce workers' stress. Indeed, daylight should be sufficient to perform visual tasks while avoiding excessive brightness, high contrast, or intense sunlight reflections that can cause discomfort glare. This research aims to test the Anidolic Integrated Ceiling (AIC) performance in creating a visually comfortable space by reducing the probability of glare. A combined method was adopted for investigating the influence of the building orientation and the workers' view directions in the different moments of the day in the winter season. Data collection was performed in an experimental environment, i.e., a physical scale model of 1:4 under real sky conditions. Three variables were: (i) the viewer's positions (parallel and face to the window), (ii) the façade orientation, (iii) the time of the day (morning and afternoon). To investigate the correlation between the simulated environment and the subjective comfort, we collected the following data in parallel: illuminance level, Daylight Glare Probability Index (DGIP), Luminance Contrast Ratios (LCR) for assessing the daylighting environments, and people reactions to the lighting setting to evaluate the perceived discomfort glare. The findings indicate that the Anidolic system's performance differs according to the occupant's orientation and herhis visual direction. The performance of the north façade of the case study application in Biskra, Algeria, was the best one. Indeed, the AIC system allows a harmonious luminance distribution without creating discomfort glare. Glare assessment shows that glare is perceived imperceptible in the lateral view (less than 0.30) and varies between imperceptible and perceptible in the parallel view (LCR values between 1:1 and 1:29). The questionnaire results show that the subjects were more satisfied with the luminous atmosphere of the lateral view than the parallel view where people more likely perceived discomfort. The statistical analysis shows that participants' perceptions of contrast and sensitivity to glare have a strong relationship with DGIP and LCR (0.000) and no correlation with illuminance and LCR