A novel framework to evaluate the performance of responsive kinetic shading devices in the early design stages

Abstract

Hesaplama araçları, mimari tasarımın erken aşamasında daha iyi çevresel etki sağlayan çok sayıda tasarım alternatifini keşfetmek için büyük bir potansiyel sunmaktadır. Özellikle, tepkisel kinetik gölgeleme araçları aracılığıyla günışığı kontrolünde hesaplama araçlarının işlevi daha da önemlidir; çünkü, kontrol parametrelerinin belirlenmesi dinamik bir problem teşkil eder. Bununla birlikte, konu ilgili literatür eleştirel bir gözle incelendiğinde, tasarım hesaplama araçlarının kullanımında bazı hayati yönlerin ele alındığını görülmüştür. Uzun hesaplama süreleri, birçok tasarım alternatifi ve hava koşullarının gözardı edilmesine neden olmuştur. Bu nedenle, bu çalışmada, tasarım alanını yeterince araştırmayı ve tepkisel kinetik gölgeleme aygıtlarının (TKGA) performansının değerlendirilmesi sorunu araştırıldı. Bu doğrultuda, rasgele seçilen gündüz saatlerinde, kavramsal bir TKGA' nin kontrol parametrelerini, denk-model tekniğine dayalı çok amaçlı optimizasyon uygulayarak bulan yeni bir yaklaşım önerdik. Önerilen yaklaşımın yeterliliğini test etmek için deneysel bir araştırma yapılmıştır. Bu tasarımda, öncül parametrelerin saptanması, rastsal değişken üretimi, simülasyon, veritabanı oluşturma, yapay sinir ağları, optimizasyon ve hipotez testi gibi yöntemler ardısıra kullanılmıştır. Sonuçlar, önerilen yaklaşımı kullanmanın, geleneksel simülasyon tabanlı optimizasyon yöntemlerine kıyasla, çok daha kısa bir zaman zarfında optimum çözüm setine ulaşabildiğini ortaya koymuştur. Dahası, önerilen yaklaşım kullanılarak statik gölgeleme ve TKGA performansları hipotez testi ile kıyaslanmıştır. Oluşturulan deneyde, TKGA, günışığı aydınlatması ve manzaraya bakış metriklerinde optimize edilmiş statik olandan daha iyi performans göstermiştir. Bununla birlikte, iç sıcaklık dikkate alındığında önemli bir fark gözlenmemiştir. Bildiğimiz kadarıyla bu çalışma, son kullanıcıya, tepki veren kinetik ve optimize edilmiş statik gölgeleme arasında seçilmiş performans metriklerini resmi bir karşılaştırma yapmasını sağlayan bir çerçeve önermekte olan ilk çalışmadır. Gelecekteki çalışmalar, hava koşulları, tasarım parametreleri ve performans hedefleri arasındaki ilişkilere odaklanacaktır. Kullanılan teknikler arasındaki karmaşık etkileşimler nedeniyle, kullanıcı dostu bir grafik arayüz geliştirilmesi de gündeme gelecektir.

Computational tools offer a great potential in the conceptual phase of architectural design, towards exploring numerous design alternatives that provide better environmental impact. Particularly in the domain of solar control with help of kinetic shading devices that respond to its environment, the function of computational tools is even more significant, since the determination of the control parameters introduces a dynamic problem. However, critical review of relevant literature suggests that the utilization of computational tools have failed to address some vital aspects. This has led exclusion of many design alternatives and weather conditions due to the high computational expenses. To this end, the current study aims to investigate the problem of adequately exploring the design space and evaluating the performance of responsive-kinetic shading devices (RKSD). For this purpose, we proposed a novel framework by implementing a surrogate-based technique for multi-objective optimization of control parameters of a conceptual RKSD on randomly sampled daylight hours. To test the adequacy of the proposed framework, an experimental research was designed. In this design, such methods as parameter initiation, variable randomization, simulation, database generation, neural networks, optimization, and hypothesis test were used in combination. Results revealed that using proposed framework one can adequately reach to optimum set of solutions in a fraction of a time when compared to traditional simulation-based optimization methods. More, utilizing proposed framework one can formally compare the performances between static shading and RKSD. In the case of our experimental design, RKSD outperforms the static one in daylighting and view metrics. However, considering indoor temperature no significant differences observed. To the best of our knowledge, the current work is the first to propose a framework, which allows an end user to conduct a formal comparison of selected performance metrics between responsive-kinetic and optimized-static shadings. The further works shall focus on the relationships between the weather conditions, design parameters, and the performance objectives. Due complex interactions among employed techniques, a user-friendly graphical user interface establishment shall also be in the agenda.