Geri Dön

A novel application of smart human centric lighting within the scope of energy efficiency and comfort assessment criteria

Enerji verimliliği ve konfor değerlendirme kriterleri kapsamında akıllı insan odaklı aydınlatma uygulaması

PDF İndir

  1. Tez No: 891784
  2. Yazar: SEVDA ALIPARAST
  3. Danışmanlar: PROF. DR. SERMİN ONAYGİL
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Enerji, Electrical and Electronics Engineering, Energy
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Enerji Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 155

Özet

Akıllı aydınlatma sistemlerinin potansiyel faydaları çok yönlüdür ve en önemlisi de enerji tasarrufu sağlamalarıdır. Bu alandaki çalışmaların çoğu, verimli çalışan Işık Yayan Diyot (LED)'lerle maksimum enerji tasarrufu sağlanması üzerine odaklanmaktadır. Bu enerji tasarruflu akıllı aydınlatma sistemleri, güç tüketimlerinin azaltılma potansiyelleri yüksek olan, farklı kişilerin gün boyunca uzun saatler çalıştığı ofis binalarında sıklıkla uygulanmaktadır. İç mekanlarda akıllı insan odaklı aydınlatmanın (HCL) geliştirilmesinin, enerji tüketimi üzerinde olumlu etkiler yaptığı ve konfor kalitesini insan fizyolojisine bağlı olarak arttırdığı iddia edilmektedir. Bu araştırma, açık plan bir ofis alanında elektrikli yapay aydınlatma tasarımını derinlemesine inceleyerek, çalışanların verimliliğini ve performansını artıran optimal insan merkezli aydınlatma tasarımı geliştirmeyi amaçlamaktadır. Çalışmada, Doğrudan Işık Yayan Sarkıt Lineer (L1) ve Doğrudan ve Dolaylı Işık Yayan Sarkıt Lineer (L2) olmak üzere iki farklı ışık dağıtım eğrisine sahip armatürler seçilmiştir. Özellikle, yapay aydınlatma tesisatları ile yaratılan düşey aydınlatma seviyeleri dikkate alınarak, tipik bir açık plan ofiste Sirkadiyen Uyarım (CS) ve Eşdeğer Melanopik Lüks (EML) değerlerinin belirlenmesine odaklanılmıştır. Görsel testler ve anketler dahil olmak üzere simülasyonlar ve deneysel ölçümler gerçekleştirilerek ofis çalışanlarının konfor tercihleri için optimal senaryoların belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu çalışma, İstanbul Teknik Üniversitesi'nde açık ofis ortamında düzenlenmiş deney düzeneği ile HCL'nin çalışanlar üzerindeki etkilerini ve kişilerin tercihlerini araştırmaktadır. Araştırmanın birinci aşamasında altmış, ikinci aşamasında ise yirmi dört ofis çalışanı olabilecek potansiyeldeki deneklerle testler gerçekleştirilmiştir. Ana hedef, CS ve EML ölçütlerine uyan bireyselleştirilmiş aydınlatma çözümlerini değerlendirmektir. İlk aşamada aynı Renk Sıcaklıklı (CCT) LED ışık kaynakları kullanılmış, ikinci aşamada ise farklı CCT'lerin etkileri incelenmiştir. Enerji verimli aydınlatma değişiklikleri için potansiyel olduğunu gösteren ön bulgulardan sonra ikinci aşamada aydınlatma kalitesinin optimize edilmesi ve konfor kriterlerinin sağlanması üzerine odaklanılmıştır. Tasarım geliştirme aşamasında, aydınlatma tasarım süreci, sirkadiyen aydınlatma ölçütleri, simülasyon araçları, enerji değerlendirmeleri ve sirkadiyen aydınlatma açık ofis araştırma planı ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Çalışmada, EML ve CS için önerilen eşiklerle uyumlu bir tasarım gerçekleştirilerek, Aydınlatma Mühendisliği Topluluğu'nun (IES) önerileriyle tutarlı yatay aydınlık düzeyleri (EH) ve düşey aydınlık düzeylerinin (EV) sağlanması esas alınmıştır. L1 ve L2 aydınlatma armatürlerinde 3800K CCT değerli LED ışık kaynakları kullanılarak ofis çalışanları için gerekli EH ve EV seviyelerinin sağlanması amacıyla bir simülasyon metodolojisi uygulanmıştır. Dinamik armatür montaj yüksekliği EV'e göre değerlendirilmiştir. Simülasyonlar, açık plan ofis için DIALux Evo tasarım programı ile elde edilen veriler Microsoft Excel ile analiz edilerek gerçekleştirilmiştir. Yatay aydınlık düzeyleri, bitmiş zemin seviyesinden 0,8 metre yükseklikte, 0,8×1,3 metre boyutlarındaki çalışma düzlemleri için hesaplanmıştır. Ayrıca, göz seviyesi ve bakış yönü ile uyumlu olarak bitmiş zemin seviyesinden 1,2 metre yükseklikte EV değerleri de hesaplanmıştır. Çalışma düzlemindeki EH ve deneğin göz seviyesindeki EV değerleri, L1 ve L2 aydınlatma armatürlerinin ışık yayan yüzeylerinin bitmiş zemin seviyesinden H1:1,5 metre, H2:1,8 metre ve H3:2,3 metre yükseklikte olmaları halleri için değerlendirilmiştir. Deneysel aşamada, her iki aydınlatma armatürü (L1 ve L2) ve üç farklı yükseklik (H1, H2, H3) değerlerinde sağlanan aydınlatma seviyelerinin, deneklerin psikolojik konfor ve performansları üzerindeki etkileri incelenmiştir. Katılımcılardan, ilk aşamada aydınlatma seviyelerindeki değişimlerin psikolojik konfor üzerindeki etkisini değerlendirmek için altı farklı aydınlatma senaryosunda görsel karşılaştırma performans testleri, düzeltme testleri ile Karolinska Uykululuk Skalası (KSS) testini yapmaları istenmiştir. Deney, fizyolojik konfor koşullarıyla birlikte insan odaklı aydınlatma koşullarını belirlemeyi amaçlamış ve hata miktarları (E) ile zaman dilimleri (t) gibi ölçüm ölçekleriyle birlikte katılımcıların konfor kriterlerine dayalı tercihlerinin irdelenmesi için anketler (Q1 ve Q2) yapılmıştır.Farklı aydınlatma seviyeleri, armatür pozisyonları ve ışık dağılım eğrileri ile elde edilen sonuçlar Minitab istatistiksel programı kullanılarak analiz edilmiştir. Katılımcıların performansı ve görsel algısı arasında cinsiyet, göz bozukluğu ve yaş faktörleri korelasyonları için L1H1 Q1'de p değeri 0,04, L1H1 Q2 E'de p değeri 0,03, L2H2 Q1 t'de p değeri 0,02, L2H2 Q2 E'de p değeri 0,04, L2H2 Q2 t'de p değeri 0,01, L1H3 Q2 t'de p değeri 0,02 olarak bulunmuştur. Ayrıca, L1H2 Q1 E göz bozukluğu p değeri 0,01 olarak bulunduğu için yaş ve göz bozukluğunun katılımcıların performansı üzerinde etkili olduğu da gözlemlenmiştir. Katılımcıların performans değerlendirme sonuçları, farklı H1, H2 ve H3 yükseklikleri için karşılaştırılmıştır. L1 için H1 ve H3 Q1 t'de p değerleri 0,024, H1 ve H3 Q2 t'de 0,012, H2 ve H3 Q2 t'de 0,011 olarak bulunmuştur. L2 için ise H1 ve H2 Q1 E'de p değeri 0,028, H1 ve H3 Q2 E'de 0,008, H2 ve H3 Q2 E'de 0,036 olarak bulunmuştur. Bu p değerleri, L1 ve L2'nin farklı yüksekliklerindeki varyasyonlarına ilişkin performans farkı olmadığı savını reddetmektedir. Bu sonuç göz önüne alınarak farklı H1, H2 ve H3'te L1 ve L2'nin performans farkının etkisi değerlendirilmiştir. P değerinin 0,05'ten düşük olarak bulunduğu test sonuçlarına göre, L1H1, L2H1 ve L1H2, L2H2'deki Q1 cevaplama sürelerinde ve Q2'de anlamlı farklar bulunmuştur. Katılımcıların performans sonuçlarının farklı L1 ve L2 aydınlatma armatürleri için karşılaştırılması sonucunda, anlamlılık düzeyinin H1 ve H2 için Q1 t ve Q2 t'de reddedildiği, ancak H3 için onaylandığı gösterilmiştir. P değerinin 0,05 olarak bulunduğu aydınlatma seviyelerindeki değişikliklere dayalı olarak performans ile cinsiyet ve görsel bozukluk arasındaki ilişki değerlendirilmiş, ancak anlamlı bulunmamıştır. Buna karşılık yaş faktörü, özellikle 20-30 ve 30-40, 20-30 ve 40 ve üzeri yaş grupları arasında aydınlatma seviyelerindeki değişikliklere dayalı olarak performans ile anlamlı bir ilişki göstermiştir. Aydınlatma seviyelerinin yeterliliği subjektif olarak değerlendirilirken, kullanıcılar L1H1 ve L2H3'ü tercih etmişlerdir. Test sonuçlarına göre ise, L1H3 ve L2H2 en uygun senaryolar olarak değerlendirilmiştir. Işık dağılım eğrileri farklı olan aydınlatma armatürlerinden L1 düzeneği her üç farklı armatür yüksekliğinde de daha yüksek oranda tercih edilmiştir. Test sonuçları, algılanan aydınlatma seviyelerindeki farklılıkların kişisel psikolojik konfor izlenimlerini etkilediğini göstermiştir. Daha yüksek aydınlık düzeyleri değerleri gibi fiziksel konfor koşullarındaki iyileştirmeler olumlu olarak değerlendirilmiştir. Gerçekleştirilen tüm senaryolarda hem L1 hem de L2'de düzgünlük sağlanmış, ancak L2H2'de aydınlatmanın düzgünlüğü diğer senaryolara göre daha düşük seviyede kaydedilmiştir.Bu tez çalışmasının sonuçlarına göre,“aydınlatma seviyelerinin artırılması performansı artırır”şeklinde genel bir çıkarım yapılamamaktadır. Test sonuçları, L1H3 ve L2H2'nin deneklerin performansları açısından en başarılı senaryolar olduğunu göstermektedir. L1H3 senaryosunda EH: 752,5 lux, EV: 550 lux ve L2H2 senaryosunda EH: 520 lux, EV: 393 lux olup, her iki durumda da minimum CS ve EML değerleri sağlanmaktadır. Memnuniyet açısından, katılımcılar en yüksek memnuniyeti L1H3 ve L2H3 senaryolarında ifade etmişlerdir. Diğer yandan, L1H3 ve L2H2'de yüksek performansın elde edilmiş olması bu çalışmanın ilginç bir bulgusu olarak değerlendirilmektedir. H2 yüksekliğinde, hem L1 hem de L2 aydınlatma düzeneklerinde %40 enerji tasarrufu önerilebilmektedir. Ancak, ışık dağılım eğrisi ve armatürlerin SPD'sine bağlı olarak önerilen enerji verimli aydınlatma senaryosu, minimum CS ve EML değerleri sağlanması için L1H3 senaryosunda göz ardı edilmiştir. Öte yandan, L2H2'de başarılı bir performans kaydedilmiş olmasına rağmen, katılımcıların memnuniyet yorumları düşük olmuştur. Ofis çalışanlarının performansı, test sonuçlarında kaydedildiği gibi yaş gruplarına büyük ölçüde bağlıdır. Bu yorumlar, L1H3'teki performans durumu ile de uyumludur, ancak bu senaryoda enerji tasarrufu söz konusu değildir. L2H3'te memnuniyet oranı daha yüksekken, katılımcılar L2H2'de daha iyi performans göstermiş ve bu senaryo enerji verimliliği açısından da öne çıkmıştır. Sonuç olarak, L1H3 ve L2H2 senaryolarında, çalışma düzlemlerinde aydınlık düzeyleri ve düzgünlük yeterli olmasına rağmen, katılımcı memnuniyeti düşük kalmıştır. Çalışmanın ikinci aşamasında, deney düzeneğinde CS'in minimum 0,3 değerinde olması esas alınarak zeminden 2,3 metre yükseklikteki (H3) L1 aydınlatma armatürü 3800K renk sıcaklığında %100 ışık akısı oranında çalıştırılmıştır. Yine aynı yükseklikteki L2 aydınlatma armatürü ise 2700K, 3800K ve 6000K renk sıcaklıklarında, sırasıyla %75, %60 ve %40 ışık akısı oranlarında çalıştırılmıştır. L1 düzeneğinde EML: 358 olarak ayarlanmış, L2'de ise 2700K için EML: 275,5, 3800K için EML: 293 ve 6000K için EML: 319 sonuçları elde edilmiştir. Tez çalışmasının bu bölümünde, ofis ortamında değişken CCT'lerin görsel konfor ve sirkadiyen yanıt üzerindeki etkisinin araştırılması amaçlanmıştır. Katılımcıların farklı aydınlatma seviyeleri ve ışık spektrumlarının yaratıldığı aydınlatma tesisat kombinasyonlarına verdikleri yanıtlar incelenmiştir. Bu bağlamda, ofis çalışanı olarak tanımlanan yirmi dört katılımcı, görsel performans testlerini tamamlamış ve dikkat, çevresel memnuniyet ve uyku hali ile ilgili değerlendirmeler yapmıştır. Çalışmanın ikinci aşamasının bulguları, bazı ofis çalışanlarının 6000K renk sıcaklıklı aydınlatmadan memnuniyetsizlik duyduğunu göstermektedir. Dimleme oranlarının CS ve EML gereksinimlerini karşılayacak düzeyde tutultuğu 2700K gibi daha sıcak CCT'ler, katılımcılar üzerinde olumlu bir etki yaratmıştır. Bu senaryoda, 3800K ve 6000K renk sıcaklıklı senaryolara kıyasla çalışma masası üzerinde daha yüksek aydınlık düzeyleri sağlanmıştır. L1H3 3800K ve L2H2 2700K arasında p değeri 0,002 olan anlamlı korelasyonlar gözlemlenmiştir. Benzer şekilde, ışığın rengi konusunda, L1H3 3800K ve L2H2 3800K arasında p değeri 0,024 ve L2H2 3800K ile L2H2 6000K arasında p değeri 0 olan anlamlı korelasyonlar bulunmuştur. Aydınlatmadan memnuniyetsizlik konusunda da, L2H2 3800K ve L2H2 6000K arasında p değeri 0 ve L2H2 2700K ile L2H2 6000K arasında p değeri 0,016 olan anlamlı korelasyonlar gözlemlenmiştir. Ayrıca, aydınlatma armatür yüksekliği tercihleri konusunda L1H3 3800K ve L2H2 2700K, L2H2 3800K ve L2H2 2700K, L2H2 3800K ve L2H2 6000K arasında sırasıyla p değeri 0,038, 0,044 ve 0 olan anlamlı korelasyonlar hesaplanmıştır.Bu bulgular, katılımcıların H2'ye kıyasla daha yüksek olan H3'ü tercih ettiklerini göstermektedir. Bu çalışmanın bir başka önemli bulgusu da, farklı aydınlatma senaryolarında aydınlatma yükseklikleri, ışık renk sıcaklıkları gibi parametreler ile aydınlatma memnuniyeti arasında güçlü bir korelasyon gözlemlenmiş olmasıdır. Tez çalışmasının sonuçlarına göre, açık ofis ortamlarına uyarlanmış bireyselleştirilmiş aydınlatma sistemlerinin çalışan memnuniyetini artırabileceği ve insan odaklı aydınlatma (HCL) gereksinimlerini karşılayabileceği önerilebilmektedir. Sonuç olarak, açık ofislerde bireyselleştirilmiş aydınlatma sistemlerinin entegrasyonu, HCL gereksinimlerini karşılayarak çalışan memnuniyetini sağlamakta ve potansiyel olarak çalışma performansını artırmaktadır. Bu yöntem ile çalışanların konforu dikkate alınarak, enerji verimli çözümler elde edilmesi de olanaklıdır.

Özet (Çeviri)

This study investigates the impact of human centric lighting (HCL) in an open plan office environment at Istanbul Technical University. The research involved sixty participants in the first phase and twenty-four in the second phase. The primary objective was to evaluate individualized lighting solutions that comply with Circadian Stimulus (CS) and Equivalent Melanopic Lux (EML) metrics. During the first phase, single Correlated Color Temperature (CCT) Light Emitting Diode (LED) sources were used, while the second phase explored the effects of different CCTs. Preliminary findings indicated potential for energy-efficient lighting modifications, with phase two concentrating on optimizing lighting quality and ensuring comfort criteria were met. In the design development phase, the lighting design process was thoroughly outlined, including summaries of circadian lighting metrics, simulation tools, energy considerations, and the research plan for the circadian lighting open plan office. The study ensured that the design aligned with recommended thresholds for EML and CS, maintaining horizontal and vertical illuminance levels consistent with recommendations from the Illuminating Engineering Society (IES) for visual tasks. Based on the simulation study, two different light distribution curve luminaires, Direct Suspended Linear (L1) and Direct and Indirect Suspended Linear (L2), were chosen for the study. Additionally, threshold suspended mounting heights of 1.5m (L1) and 2.3m (H3), and one Optimum Luminaire Height (OLH) of 1.8m (L2) above the finished floor were defined for the lighting luminaires. The experimental aspect involved assessing changes in lighting levels, psychological comfort, and performance at three main target heights (H1, H2, H3) for both lighting scenarios (L1 and L2). Participants were asked to complete visual cognitive performance tests, proofreading tasks, and the Karolinska Sleepiness Scale (KSS) test across six different lighting scenarios during the first phase to assess the impact of lighting level changes on psychological comfort, and four different lighting scenarios during the second study phase. The experiment aimed to explore human-centered lighting conditions alongside physiological comfort conditions, using questionnaires (Q1 and Q2) to gather data on error quantities (E) and time periods (t) as measurement scales, alongside participants' preferences based on their comfort criteria. Key results indicated that participants' performance and visual perception varied significantly across different lighting conditions and heights. The performance evaluation compared participants' results between heights H1, H2, and H3 for both L1 and L2 scenarios. Significant p-values indicated differences in performance and psychological comfort based on lighting levels, luminaire positions, and light distribution beams. Notably, the performance of participants was significantly influenced by age, with distinct differences observed between age groups 20-30, 30-40, and above 40. Phase one of the study evaluates the lighting mounting height for human-centered lighting. A single CCT of 3800K was investigated to determine its influence on visual comfort and visual test responses. The scenarios of L1H3 and L2H2 were identified as the most successful. The most favorable scenario was observed in L1H3, both in terms of performance and participant preferences. Conversely, the results for L2H2 indicate that while participant performance was successful, their preference was lower compared to L2H3. Although L2H3 was preferable, L2H2 was selected for evaluation in phase two with CCTs of 2700K, 3800K, and 6000K. Phase two of the study focused on varying CCTs to investigate their influence on visual comfort and circadian response. L1 was assessed with a constant CCT of 3800K, while L2 examined CCTs of 2700K, 3800K, and 6000K, set at operation rates of 75%, 60%, and 40% of the total luminaire output, respectively. These configurations aimed to meet the minimum CS requirement of 0.3. Regarding EML values, L1 had an EML set at 358, while L2 exhibited varied results: 275.5 for 2700K, 293 for 3800K, and 319 for 6000K. The findings from phase two indicated dissatisfaction with the lighting set at 6000K, while warmer CCTs of 2700K likely had a positive impact due to the lower dimming rate meeting CS and EML requirements, resulting in higher illuminance levels on the desk compared to 3800K and 6000K scenarios. Participants clearly preferred higher heights (H3) for appealing lighting conditions, confirming the strong correlation among subjective evaluations of lighting scenarios such as color pleasantness, lighting satisfaction, and lighting heights. Overall, the study suggests that individualized lighting systems tailored to open plan office environments can enhance worker satisfaction and meet HCL requirements. Using consistent survey questions across different lighting concepts can help identify specific factors influencing CCT preferences. In conclusion, integrating individualized lighting systems in open plan offices aligns with HCL requirements, ensuring worker satisfaction and potentially improving performance. The findings provide insights for enhancing office lighting environments, emphasizing the importance of considering both energy efficiency and occupant comfort.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    401166

    Energy efficient context-aware framework in mobile sensing

    Başlık çevirisi yok

    ÖZGÜR YÜRÜR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUniversity of South Florida

    DR. WILFRIDO MORENO

  2. Tez No

    864495

    Trusted distributed artificial intelligence for critical and autonomous systems

    Kritik ve otonom sistemler için mutemet dağıtık yapay zeka

    MUHAMMED AKİF AĞCA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolUniversity of Luxembourg

    Bilgisayar Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DJAMEL KHADRAOUI

  3. Tez No

    402983

    Lab-on-a-chip devices with patterned hydrogels: Engineered microarrays for biomolecule fractionation, organ-on-chip and desalination

    Başlık çevirisi yok

    BURCU GÜMÜŞCÜ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Bilim ve TeknolojiUniversity of Twente

    PROF. DR. ALBERT VAN DEN BERG

    PROF. DR. JAN C. T. EIJKEL

  4. Tez No

    651013

    Kanda siyanür tayini için floresan altın nanokümeler ile kombine mikroakışkan tabanlı bir platform tasarımı ve geliştirilmesi

    Design and development of a microfluidic-based platform, combined with fluorescent gold nanoclusters for cyanide detection in blood

    UĞUR AYDIN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    BiyoteknolojiHacettepe Üniversitesi

    Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEMED DUMAN

  5. Tez No

    806646

    Ecologıcal ınfrastructure vs techno-fıx: A desıgn framework for renewable energy ınfrastructure ın publıc spaces

    Tekno-düzeltmeye karşi ekoloji̇k altyapi: Kamusal alanlarda yeni̇lenebi̇li̇r enerji̇ altyapisi i̇çi̇n bi̇r tasarim çerçevesi̇

    ABDULKADİR KAAN ÖZGÜN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Peyzaj MimarlığıQueensland Teknoloji Üniversitesi (QUT Gardens Point Campus)

    Mimarlık, Planlama ve Tasarım Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. IAN WEIR

Geri Dön