Parametric facade design workflow for enhancing non-visual daylight response and envelope thermal performance in heating-dominated climates

Optimizing non-visual daylight response, including circadian-entraining daylight, glare, and heat loss presents challenges in building design for heating-dominated climate. However, effectively addressing these parameters can positively impact occupant health, visual and thermal comfort, and building energy use, which is critical in cold climates where people spend most of their time indoors in winter and shoulder seasons. Within the frameworks of human-centric and biophilic design, and targeting low energy consumption, the objective of this thesis is to enhance the connection between occupants, nature and natural cycles using daylight while minimizing heat loss through the envelope. This is achieved through a parametric workflow that aims to increase non-visual daylight response and melanopic equivalent daylight illuminance, while maintaining adequate daylight for visual tasks, minimizing discomfort from glare, and improving the thermal performance of the building envelope through a strategic balance of the transparent, translucent, and opaque building assemblies across a façade sculpted by the location-specific sun path. This thesis presents research identifying the mechanisms of non-visual responses to daylight with an emphasis on circadian rhythm and describes how excessive use of transparent glass can be detrimental to visual comfort, and negatively impact the envelope thermal performance. It presents an existing framework of photopic-based daylighting standards and established envelope thermal transmittance requirements, while highlighting the current lack of standards containing non-visual daylighting targets. This review identifies metrics related to non-visual daylighting that may be integrated in future iterations of existing standards. It also highlights the importance of connection with the sun path to instill connection to natural cycles that supports wellbeing. In reviewing existing tools and workflows, a new simulation workflow is proposed to integrate photopic and melanopic daylighting metrics with the envelope thermal performance to optimize façade material configurations for enhanced occupant wellbeing and envelope performance in cold climates.

Ottimizzare la risposta alla luce diurna non visiva, inclusa la luce circadiana, l'abbagliamento e la riduzione delle perdite di calore, presenta sfide nella progettazione di edifici per climi a riscaldamento predominante. Tuttavia, affrontare questi parametri può migliorare la salute degli occupanti, il comfort visivo e termico e il consumo energetico, cruciale nei climi freddi dove si trascorre la maggior parte del tempo all'interno in inverno e nelle mezze stagioni. Nel contesto del design umano-centrico e biofilico, con basso consumo energetico come obiettivo, questa tesi punta a rafforzare il legame tra occupanti, natura e cicli naturali tramite l’uso della luce naturale, riducendo al minimo le perdite di calore dell’involucro. Questo obiettivo è perseguito con un workflow parametrico per aumentare la risposta alla luce diurna non visiva e l'illuminamento equivalente melanopico, mantenendo un'adeguata luce per compiti visivi, riducendo il disagio da abbagliamento e migliorando le prestazioni termiche dell'involucro con un bilanciamento tra elementi trasparenti, translucidi e opachi su una facciata modellata dal percorso solare. Questa tesi esplora i meccanismi di risposta non visiva alla luce diurna, concentrandosi sul ritmo circadiano, e descrive come l'uso eccessivo di vetro trasparente possa danneggiare il comfort visivo e le prestazioni termiche dell’involucro. Si presenta un quadro delle normative di illuminazione diurna basate su fotopi e i requisiti per la trasmittanza termica dell'involucro, evidenziando la mancanza di standard che includano obiettivi di illuminazione diurna non visiva. Questa analisi identifica metriche di illuminazione non visiva integrabili in futuri standard e sottolinea l'importanza della connessione con il percorso solare per promuovere il benessere. Esaminando strumenti e workflow esistenti, viene proposto un nuovo workflow di simulazione che integra metriche fotopiche e melanopiche con le prestazioni termiche dell'involucro per ottimizzare i materiali della facciata, migliorando il benessere degli occupanti e le prestazioni dell'involucro nei climi freddi.