Development of a radiosity method for solar radiation studies in urban environments
Desarrollo de un método de radiosidad para el estudio de la radiación solar en entornos urbanos
Développement d’une méthode de radiosité pour l’étude du rayonnement solaire en milieu urbain
Résumé
In this thesis, we propose an efficient simulation method of solar radiation based on the radiosity method. The objective is to assess accurately daylighting and solar gains in dense urban environments to orient architectural design. In this type of environment, the exchanges by reflection between the different surfaces play a major role on the distribution of radiation. The radiosity method is specially adapted in this context because it directly considers all the inter-reflections and radiation over the entire scene. However, it is only valid for diffuse exchanges. In this thesis, we have developed the concept of extended view factors to be able to consider specular reflections and direct transmissions. This contribution allows the use of models with higher levels of detail of materials including glazing, mirrors or any other element with reflections and transmission patterns other than perfectly diffuse. One of the most typical problems in dense urban environments is the lack of daylight. Light wells are a common architectural concept that is designed to allow light to reach the core of residential buildings. Improvements in daylighting performance achieved through light interventions are being studied, including the use of materials with high diffuse reflectance and the installation of mirrors. The results show significant benefits on the amount of light perceived with the use of such materials. Satisfactory lighting conditions throughout the year are obtained thanks to the redirection of the sun's rays even in cloudy climates, as in Bilbao, and at high latitudes, as in Stockholm. In urban environments, buildings interact with each other by blocking and reflecting solar radiation, thus affecting their thermal behavior. The effect of surface properties and shading devices on the amount and distribution of solar gain is studied in the city center of Cordoba. The results underline both the importance of the reflected part of solar radiation and the sensitivity of its distribution to material properties.Thanks to the concept of extended view factors and the use of efficient ray-tracing algorithms for their calculation, the main barriers that blocked the use of the radiosity method in the context of architecture are removed. The accuracy and advantages offered by the method developed for the study of solar radiation are developed along the document.
En esta tesis, proponemos un método de simulación de la radiación solar basado en la radiosidad. El objetivo es desarrollar una herramienta que permita evaluar con precisión la luz natural y los aportes solares en entornos urbanos densos para guiar el diseño arquitectónico. En los entornos densos, las reflexiones entre las diferentes superficies desempeñan un papel clave en la distribución de la radiación.El método de radiosidad resulta particularmente adecuado en este contexto porque permite calcular la radiación en una escena de forma global y teniendo en cuenta directamente la infinidad de reflexiones. Sin embargo, sólo tiene en cuenta los intercambios difusos. En esta tesis se desarrolla el concepto de factores de vista extendidos para poder incluir en el cálculo la reflexión especular y la transmisión directa. Esto permite el uso de modelos con un mayor nivel de detalle desde el punto de vista material, incluyendo vidrios, espejos o cualquier otro tipo de superficie con patrones de reflexión y transmisión no perfectamente difusos. Uno de los problemas más comunes en los entornos urbanos densos es la falta de luz natural. Los patios de luz son un recurso arquitectónico habitual para aumentar la cantidad luz que llega al interior de edificios residenciales. Esta tesis investiga el potencial de mejora en la iluminación natural de estos edificios que puede lograrse con intervenciones ligeras en el patio de luz, tales como el uso de acabados de alta reflectancia difusa y la instalación de espejos. Las simulaciones muestran que ambos materiales aumentan de manera significativa la cantidad de luz recibida en los interiores. Gracias al uso de espejos inclinados, se obtienen condiciones de iluminación satisfactorias durante todo el año incluso en climas nublados, como Bilbao, y en altas latitudes, como Estocolmo. En los entornos urbanos, los edificios interactúan entre sí bloqueando y reflejando la radiación solar, lo que afecta a su comportamiento térmico. Tomando como caso de estudio el centro de la ciudad de Córdoba, se investiga el impacto de las propiedades de las superficies y del uso de protecciones solares a escala urbana en la cantidad y distribución de las ganancias solares. Los resultados destacan la importancia de la componente reflejada de la radiación solar y la sensibilidad de su distribución a las propiedades de los materiales.Esta tesis muestra que las principales barreras que bloqueaban el uso del método de la radiosidad en el contexto de la arquitectura pueden superarse gracias al concepto de factores de vista extendidos y el uso de algoritmos de alto rendimiento para el de lanzado de rayos para su cálculo. La precisión y las ventajas que ofrece el método desarrollado para el estudio de la radiación solar se desarrollan a lo largo del documento.
Dans cette thèse, nous proposons une méthode de simulation performante du rayonnement solaire basée sur la méthode de radiosité. L’objectif est d’évaluer avec précision l’éclairage naturel et les apports solaires dans des milieux urbains denses pour guider la conception architecturale. Dans ce type d’environnement, les échanges par réflexion entre les différentes surfaces jouent un rôle prépondérant sur la distribution du rayonnement. La méthode de radiosité est particulièrement adaptée dans ce contexte car elle prend directement en compte la totalité des inter-réflexions et le rayonnement sur l’ensemble de la scène. Cependant, elle n’est valable que pour des échanges diffus. Dans cette thèse, nous avons développé le concept de facteurs de vue étendus pour pouvoir considérer les réflexions spéculaires et les transmissions directes. Cet apport permet d’utiliser des modèles avec des niveaux de détail de matériaux plus élevés comprenant des vitrages, des miroirs ou tout autre élément avec des modèles de réflexions et de transmission autres que parfaitement diffus. Un des problèmes les plus courants dans les milieux urbains denses est le manque de lumière naturelle. Le puits de jour est un concept architectural répandu dont le but est de permettre à la lumière de parvenir jusqu’au cœur des bâtiments d’habitation. Les améliorations des performances en éclairage naturel obtenues grâce à des interventions légères sont étudiées, notamment l’utilisation de matériaux avec une réflectance diffuse élevée et la mise en place de miroir. Les résultats montrent des bénéfices conséquents sur les quantités de lumière perçues avec l’emploi de ce type de matériaux. Des conditions d’éclairement satisfaisantes tout au long de l’année sont obtenues grâce à la redirection des rayons du soleil même pour des climats nuageux, comme à Bilbao, et à des hautes latitudes, comme à Stockholm. Dans les environnements urbains, les bâtiments interagissent entre eux en bloquant et en réfléchissant le rayonnement solaire, affectant ainsi leur comportement thermique. L’effet des propriétés des surfaces et la mise en place de dispositif d’ombrage sur la quantité et la distribution des apports solaires est étudié dans le centre-ville de Cordoue. Les résultats soulignent à la fois l’importance de la partie réfléchie du rayonnement solaire et la sensibilité de sa distribution vis-à-vis des propriétés des matériaux.Grâce au concept des facteurs de vue étendus et à l’utilisation d’algorithmes de lancer de rayons performants pour leur calcul, les principales barrières qui bloquaient l’utilisation de la méthode de radiosité dans le contexte de l’architecture sont levées. La précision et les avantages qu’offre la méthode développée pour l’étude du rayonnement solaire sont développés tout au long du document.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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