- / -

Στην παρούσα εργασία διερευνάται η βιοκλιματική δόμηση και αναλύονται θέματα άμεσα συνυφασμένα με αυτή. Ο βιοκλιματικός σχεδιασμός, στοχεύει στην εκμετάλλευση των θετικών περιβαλλοντικών παραμέτρων ώστε να μειωθούν οι ενεργειακές ανάγκες του κτιρίου καθ' όλη τη διάρκεια του έτους και να εξοικονομήσει τη συμβατική ενέργεια. Η εφαρμογή της βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής μπορεί να οδηγήσει σε ενεργειακή ανεξαρτησία των μη Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας έως 60%. Παράλληλα συμβάλλει στην αυξανόμενη μείωση των εκπομπών CO2. Η βιοκλιματική αρχιτεκτονική, στοχεύει στην κατασκευή βιώσιμων κατοικιών και πόλεων, έτσι είναι εξέχουσας σημασίας η χρησιμοποίηση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για την ορθή λειτουργία της κατοικίας. Στόχος είναι η κατασκευή κατοικιών που δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον και καλύπτουν τις ανάγκες των ενοίκων με φυσικούς τρόπους χωρίς να τους επιβαρύνουν οικονομικά ούτε να προκαλούν προβλήματα στην υγεία τους και ρύπανση στο περιβάλλον. Στόχος της βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής είναι επίσης η εξασφάλιση θερμικής, οπτικής και ακουστικής άνεσης, οι οποίες δημιουργούν ευχάριστα αισθήματα στους ενοίκους κατά τη διαμονή τους στην κατοικία και επιτυγχάνεται με την ορθή χρήση των παθητικών και των ενεργητικών συστημάτων, εφόσον υπάρχουν, σύμφωνα με τις προσωπικές ανάγκες των ενοίκων. Μέσα από αυτή την εργασία θα παρουσιάσω όλους εκείνους τους τρόπους-συστήματα (παραδοσιακά και σύγχρονα) που θα εντάξουν ένα κτίριο στην βιοκλιματική δόμηση. Όλα αυτά τα συστήματα είτε πρόκειται για ενεργητικά είτε για παθητικά έχουν ένα στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας και την επίτευξη άνεσης με ότι αύτη περιλαμβάνει. / In this diploma thesis the bioclimatic building and many issues about this is, investigated and analyzed. The bioclimatic design, aims to exploit the positive environmental aspects to reduce the energy consumption of the building throughout the year and save non-renewable sources of energy. The application of bioclimatic architecture can lead to a 60% independence of non-renewable sources of energy. It can also contributes to a further reduction of carbon dioxide emissions. Bioclimatic architecture, aims to build sustainable homes and cities, so it is of utmost importance to use renewable sources of energy for the proper function of the residence. The aim is to build homes that do not pollute the environment and meet the needs of residents in natural ways without being a financial burden and cause health problems. The aim of bioclimatic architecture is also to ensure thermal, visual and acoustic comfort, which creates a pleasant feeling to the guests during their stay in the house. This can be reached with the proper use of passive and active systems, according to personal needs of occupants. Through this work I will present all those way-systems (traditional and modern) that will incorporate a building in bioclimatic construction. All these systems whether passive or active has a goal of saving energy and achieving comfort.

Ο σχεδιασμός, ως ανθρώπινη ενασχόληση για πολλούς αιώνες, στηρίχθηκε κυρίως στην εμπειρία και στο ταλέντο. Μετά τα μέσα του 20ου αιώνα, αναπτύχθηκαν επιστημονικές προσπάθειες ώστε ο σχεδιασμός να αποτελέσει αυτόνομο επιστημονικό πεδίο. Από τότε αναπτύχθηκαν αρκετές φιλοσοφίες, μοντέλα, μέθοδοι και τεχνικές για το σχεδιασμό. Επειδή ο σχεδιασμός είναι μια νοητική εργασία με ειδικά χαρακτηριστικά για κάθε άτομο ή ομάδα, η συστηματική του οργάνωση είναι πολύ δύσκολη. Η θεωρητική θεμελίωση του σχεδιασμού είναι ακόμη δυσκολότερη και μέχρι τώρα έχουν εμφανιστεί λίγες απόπειρες για την ανάπτυξη μιας γενικευμένης θεωρίας συστηματικού σχεδιασμού, η οποία βρίσκεται σε προεπιστημονικό στάδιο, ενώ έχει αναπτυχθεί πλούσια γνώση που αναφέρεται σε μεθοδολογίες σχεδιασμού καθώς και εφαρμογές. Στη διατριβή αυτή εισάγεται ένα μαθηματικό μοντέλο που συνεισφέρει στη συστηματικοποίηση του θεμελιώδους σχεδιασμού. Ερμηνεύονται με μαθηματικό τρόπο οι γενικές διαδικασίες παραγωγής και αξιολόγησης των λύσεων στο θεμελιώδη σχεδιασμό, και μοντελοποιούνται τα αντικείμενα και οι κανόνες χρησιμοποιώντας ασαφή ή δίτιμη ή πολύτιμη λογική ανάλογα με το πόσο καλά καθορισμένο είναι το πρόβλημα που πρέπει να επιλυθεί. Στη διατριβή αναπτύχθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο για τη διαδικασία παραγωγής λύσεων στο θεμελιώδη σχεδιασμό. Αναπτύχθηκε ένας μηχανισμός για την αυτόματη παραγωγή βαθμών ικανοποίησης των εφικτών λύσεων ως προς τις σχεδιαστικές προδιαγραφές και των σχεδιαστικών περιορισμών. Το σύνολο των υποψηφίων τελικών λύσεων παράγεται από ένα πίνακα που περιέχει τους βαθμούς αυτούς. Η παραγωγή του συνόλου των τελικών λύσεων που είναι ένα υποσύνολο του συνόλου των υποψηφίων τελικών λύσεων πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας το Ευκλείδειο μέτρο. Επειδή, λόγω συνδυαστικής έκρηξης, η αναζήτηση των λύσεων μερικές φορές είναι χρονοβόρα, αναπτύχθηκαν δύο ευρετικές μέθοδοι οι οποίες στηρίζονται σε στοιχεία διανυσματικής ανάλυσης για να επιταχυνθεί αυτή η διαδικασία. Εισάγεται επίσης ένα γενικευμένο πλαίσιο κατασκευής δεικτών για την αξιολόγηση των θεμελιωδών λύσεων. Για την κατασκευή των δεικτών χρησιμοποιούνται τελεστές της ασαφούς λογικής και πιο συγκεκριμένα οι T-norms και οι τελεστές μέσου όρου. Αναπτύχθηκαν επίσης οδηγίες για την επιλογή της κλάσης των τελεστών αλλά και για τους τελεστές αυτούς καθαυτούς. Ο σχεδιαστής μπορεί να κατασκευάσει δείκτες αξιολόγησης με τους οποίους μπορεί να αξιολογήσει και να επιλέξει θεμελιώδεις λύσεις με βάση ειδικά χαρακτηριστικά, όπως είναι η μηχανοτρονικότητα κ. άλ. που θέλει να κατέχει το τελικό προϊόν. Επίσης, εισήχθηκε ο “Μηχανοτρονικός Δείκτης” με τον οποίο ο σχεδιαστής μπορεί να επιλέξει τις πιο ευέλικτες, ευφυείς και με τη μικρότερη πολυπλοκότητα λύσεις. Η διαμόρφωση του δείκτη στηρίχθηκε στα τρία αυτά χαρακτηριστικά που κατέχουν τα μηχανοτρονικά προϊόντα. Αναπτύχθηκε ένα σύστημα βασισμένο σ’ αυτή τη γνώση για το μηχανοτρονικό σχεδιασμό ρομποτικών αρπάγων για το χειρισμό εύκαμπτων υλικών. Η απαραίτητη για τον σκοπό αυτό γνώση προήλθε από την σχετική βιβλιογραφία και από τους ειδικούς (experts) και κατόπιν οργανώθηκε κατάλληλα. Το σύστημα αυτό αποτελεί το πρώτο που εμφανίζεται στη βιβλιογραφία για το χειρισμό εύκαμπτων υλικών, και το πρώτο που υλοποιεί το θεμελιώδη σχεδιασμό αρπαγών. Στο σύστημα αυτό δοκιμάστηκαν και μελετήθηκαν οι παραπάνω μέθοδοι παραγωγής και αξιολόγησης λύσεων. Οι μέθοδοι που αναπτύσσονται στην παρούσα διατριβή μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πραγματοποίηση του μηχανοτρονικού θεμελιώδους σχεδιασμού ή για την ανάπτυξη νέων πιο αποτελεσματικών συστημάτων βασισμένων σε γνώση για το μηχανοτρονικό θεμελιώδη σχεδιασμό. / Ιt was only by the middle of the 20th century when design – an intense human activity – became the focus point of scientists towards the direction of its formalization and “scientification”. Since then, design philosophies, models, methods and techniques have been developed. The systematic formulation of design is very difficult since it is a perceptive process with special characteristics for every person or team. The theoretical foundation of design is more difficult and until now there have been made relatively few attempts for developing a generalized theory of systematic design. This theory is still in pre-scientific phase, while there is rich knowledge on design methodologies in specific applications. In this thesis, a mathematical model towards systemizing the conceptual design phase is introduced. A mathematical interpretation of the general concept generation and evaluation processes is analyzed. The design entities and rules governing a design problem are represented using fuzzy, Boolean and many-valued logic depending on how well-defined is the knowledge of the field that the model is applied to. A mechanism for the automatic generation of the degrees of satisfaction of the design specifications by the feasible solutions subjected to the design constraints is also proposed. From a matrix that contains these degrees, the set of all possible combined solutions is generated. The generation of the set of final solutions, that is a subset of the set of the combined solutions, is based on a suitable partition of the Euclidean space. In order to avoid the combinatorial explosion that occurs during design space search, two heuristic search methods have been developed based on vector analysis. A frame for introducing design indices for the evaluation of alternative solutions is also proposed. The formulation of the design indices is based on fuzzy logic and more specific on T-norms and averaging operators. The guidelines for the selection of the class of operators and then for the operator itself are also given. Using this frame, the designer can form evaluation indices based on special characteristics that the product must inherit. Furthermore, the “Mechatronics Index” is introduced. Using this index, the designer can select the most intelligent and flexible alternative solutions that have the minimum complexity. The formulation of the index is based on these three common characteristics of the mechatronics products. Finally, the knowledge for the design of grippers for handling non-rigid materials is acquired from experts and literature and organized in a knowledge-based system. This system is the first to appear in the international literature for the conceptual design of grippers for handling non-rigid materials. In this system the above methods for the concept generation and evaluation has been tested and studied. The present thesis proposes a methodology that of it can be used for the realization of the conceptual mechatronics design or for the development of new intelligent knowledge-based systems for the conceptual mechatronics design of products.

- / -

Σε αυτή την εργασία πρώτα από όλα αναλύουμε τις βασικές έννοιες και αρχές μιας κυψελοειδούς σχεδίασης, καθώς και σημαντικές λειτουργίες που εκτελούνται σε ένα κυψελωτό σύστημα. Επίσης παρουσιάζουμε βασικές αρχές της μοντελοποίησης ενός ασύρματου καναλιού. Δίνουμε μεγάλη έμφαση σε όλα τα παραπάνω ,για να μπορέσει ο αναγνώστης να κατανοήσει τη λογική με την οποία στη συνέχεια κατασκευάζουμε τους αλγόριθμους που βοηθάνε στον κυψελοειδή σχεδιασμό ψηφιακών ασύρματων κέντρων δεύτερης και τρίτης γενιάς. Αφού αναλύσουμε τον τρόπο υλοποίησης των αλγορίθμων, στη συνέχεια τους χρησιμοποιούμε για τον κυψελοειδή σχεδιασμό του δήμου Πατρέων χρησιμοποιώντας την τεχνολογία gsm για να κατανοήσουμε καλύτερα τη λειτουργία τους. Στην ουσία δηλαδή αφού έχουμε κατασκευάσει τους αλγόριθμούς μας, οι οποίοι μπορούν αναλόγως των παραμέτρων που θα τους βάλουμε να χρησιμοποιηθούν για δίκτυα δεύτερης και τρίτης γενιάς, τους βάζουμε τις παραμέτρους του gsm και εκτελούμε μία προσομοίωση για την περιοχή του δήμου Πατρέων. Για να μπορέσουμε να κατανοήσουμε τις παραμέτρους του gsm αφιερώνουμε μία ενότητα στην περιγραφή της αρχιτεκτονικής του. Συνεπώς στο τέλος της εργασίας ο αναγνώστης είναι σε θέση να κατανοήσει πλήρως την διαδικασία που πρέπει κάποιος να εξακολουθήσει για να υλοποιήσει μια κυψελοειδής σχεδίαση σε οποιαδήποτε γεωγραφική περιοχή, χρησιμοποιώντας οποιαδήποτε τεχνολογία 2ης και 3ης γενιάς με τη βοήθεια των αλγορίθμων που κατασκευάσαμε. / -

Τα τελευταία χρόνια έχει παρουσιαστεί μία τηλεπικοινωνιακή τεχνολογία υλοποίησης δικτύων η οποία μας επιτρέπει την μεταφορά τηλεπικοινωνιακού σήματος προς και από τους συνδρομητές χρησιμοποιώντας το υφιστάμενο δίκτυο διανομής της ηλεκτρικής ισχύος. Η τεχνολογία αυτή είναι η “BPL” ή “Broadband over Power line” και είναι το κύριο θέμα της εργασίας αυτής. Αρχικά θα παρουσιάσουμε τις τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες που μπορούν να προσφέρονται μέσω των “BPL” δικτύων τόσο για τους καταναλωτές/συνδρομητές, αλλά και προς του ίδιους τους παρόχους και διαχειριστές του δικτύου. Μία νέα γενιά έξυπνων δικτύων γεννιέται και είναι πολλά υποσχόμενη σε ποικίλους τομείς. Στη συνέχεια θα μελετήσουμε τα δίκτυα αυτά από πλευράς τοπολογίας υλοποίησης τους αναφέροντας τρείς τρόπους με τους οποίους αυτό μπορεί να γίνει εφικτό. Θα παρουσιάσουμε επίσης τα βασικά στοιχεία του εξοπλισμού, τις προδιαγραφές αυτών των δικτύων καθώς επίσης και τις παρεμβολές που μπορεί να παρουσιαστούν μαζί με την ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα των συστημάτων αυτών. Συνεχίζοντας θα μελετήσουμε με περισσότερη λεπτομέρεια την υλοποίηση των “BPL” δικτύων, αναφέροντας τις τεχνικές διαμόρφωσης σήματος, την διαχείριση σφαλμάτων, την λειτουργία του “BPL” “MAC” στρώματος, αλλά την οικογένεια ασύρματης διαμόρφωσης τηλεπικοινωνιακών σημάτων 802.11x. Λόγω του ότι η τεχνολογία “BPL” προορίζεται για χρήση σε ηλεκτρικά δίκτυα ανά το παγκόσμιο στην εργασία αυτή θα παρουσιάσουμε επίσης τα διεθνής πρότυπα και τα κριτήρια περί ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας αυτού του τύπου τηλεπικοινωνιακών δικτύων. Προχωρώντας παρουσιάζεται η συμπεριφορά των βασικών διατάξεων ενός δικτύου διανομής ηλεκτρικής ενέργειας όταν λειτουργούν σε υψηλές συχνότητες. Μελετώνται βασικές διατάξεις ηλεκτρικών κινητήρων, αντιστροφείς, πυκνωτές, διατάξεις γειωτών πλέγματος και μετασχηματιστών ισχύος. Η αναφορά αυτή κρίνεται απαραίτητη αφού τα “BPL” δίκτυα τα οποία μελετούμε λειτουργούν σε τέτοιες υψηλές συχνότητες. Στο “Κεφάλαιο 6” θα δούμε το “BPL” δίκτυο στο μέλλον παρουσιάζοντας στατιστικά δεδομένα τα οποία επιβεβαιώνουν την όλο και αυξανόμενη ανάγκη των σύγχρονων ανθρώπων για πρόσβαση στο διαδίκτυο, αλλά και το γεγονός ότι η αξιοποίηση των υφιστάμενων ηλεκτρικών δικτύων αποτελεί ίσως την πλέον συμφέρουσα λύση. Τελειώνοντας την εργασία θα παρουσιάσουμε την υλοποίηση “GPON-BPL” με στοιχεία και εξοπλισμό από την εταιρία “Corinex” και θα παρουσιάσουμε την θεωρητική υλοποίηση των τριών τοπολογιών “BPL” δικτύου που έχουμε αναφέρει σε προηγούμενο κεφάλαιο. Η υλοποίηση γίνεται με βάση τον σταθμό Υψηλής/Μέσης τάσης της Κοκκινοτριμιθιάς της επαρχίας Λευκωσίας στην Κύπρο και γίνεται σύγκριση των τριών αρχιτεκτονικών από πλευράς κόστους υλοποίησης και ταχύτητας δικτύου που παρέχεται στους συνδρομητές του. Τελικά γίνεται μια σύγκριση των δικών μας αποτελεσμάτων με παρόμοια εργασία που έγινε για το νομό της Λακωνίας στην Ελλάδα / In recent years has presented a telecommunication network implementation technology which allows us to transfer telecommunication signals to and from subscribers using the existing distribution network of electric power. This technology is the "BPL" or "Broadband over Power line" and is the main topic of this work. Initially we present the telecommunications services may be offered through the "BPL" networks to consumers / subscribers, but also to the same providers and network administrators. A new generation of intelligent networks is born and is promising in various fields. Then we will study these networks in terms of their implementation topology indicating three ways in which this can be feasible. We also present the basics of the equipment, the specifications of these networks as well as the interference that can occur with the electromagnetic compatibility of these systems. Continuing we will study in more detail the implementation of "BPL" networks, indicating the signal modulation techniques, management errors, the function of "BPL" "MAC" layer, but the family configuration wireless telecommunications signals 802.11x. Because the technology "BPL" intended for use on electrical networks worldwide in this paper will also present the international standards and criteria EMC this type of telecommunication networks. Moving shows the behavior of the main provisions of a power distribution network when operating at high frequencies. Discuss basic provisions of electric motors, inverters, capacitors, earthing grid devices and power transformers. This reference is necessary as the "BPL" networks that we study operate at such high frequencies. In "Chapter 6" will see the "BPL" network in the future by presenting statistical data confirm the ever growing need of modern people to access the internet, but the fact that the use of existing electrical networks is perhaps the most advantageous solution . Finishing the job will present the implementation "GPON-BPL" to data and equipment from the company "Corinex" and will present the theoretical implementation of the three topologies "BPL" network we have mentioned in the previous chapter. The implementation is based on the station high / medium voltage Kokkinotrimithia of Nicosia in Cyprus and compares the three architectures in terms of implementation cost and speed network provided to its subscribers. Finally a comparison of our results with similar work done for the county of Laconia in Greece

Κατά τον αντισεισμικό σχεδιασμό δύσκαμπτων και ογκωδών κατασκευών εδαφικής αντιστήριξης (π.χ. τοίχοι αντιστήριξης από σκυρόδεμα) οι δράσεις που λαμβάνονται υπόψη κατά τις αναλύσεις ευστάθειας περιλαμβάνουν την στατική και δυναμική εδαφική ώθηση καθώς και την αδρανειακή δύναμη του τοίχου. Οι τρέχουσες μέθοδοι σχεδιασμού (ψευδοστατική, μετακινήσεων) θεωρούν ότι οι δύο ανωτέρω δράσεις ενεργούν συγχρονισμένα, δηλαδή οι μέγιστες τιμές τους ασκούνται ταυτόχρονα στην κατασκευή αντιστήριξης. Εν τούτοις αποτελέσματα πρόσφατων πειραματικών και υπολογιστικών διερευνήσεων υποδεικνύουν ότι (τουλάχιστον στην περίπτωση των ευμετακίνητων κατασκευών αντιστήριξης) αναπτύσσεται σημαντική διαφορά φάσης μεταξύ των δύο δράσεων (ασύγχρονη δράση). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να προκύπτει ιδιαίτερα συντηρητικός σχεδιασμός της κατασκευής αντιστήριξης όταν γίνεται δεκτό ότι τα μέγιστα των δύο δράσεων συμπίπτουν χρονικά (σύγχρονη δράση). Στην παρούσα Διατριβή διερευνάται με παραμετρικές αριθμητικές αναλύσεις η ορθότητα της παραδοχής της σύγχρονης δράσης στην περίπτωση των ακλόνητων κατασκευών εδαφικής αντιστήριξης. Χρησιμοποιείται η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων (χρήση κώδικα πεπερασμένων στοιχείων PLAXIS) για την προσομοίωση ακλόνητων τοίχων αντιστήριξης από σκυρόδεμα που συγκρατούν μη-συνεκτικό επίχωμα με ελαστοπλαστική σχέση τάσεων-παραμορφώσεων (και κριτήριο αστοχίας Mohr-Coulomb) και υποβάλλονται σε οριζόντια ταλάντωση (είτε αρμονική κίνηση είτε καταγεγραμμένη χρονοϊστορία σεισμικών γεγονότων). Οι παραμετρικές αναλύσεις περιλαμβάνουν τη μεταβολή: α) της σχετικής πυκνότητας του επιχώματος (χαλαρή, μετρίως πυκνή και πυκνή κατάσταση), β) της έντασης της επιβαλλόμενης οριζόντιας ταλάντωσης (0.05g έως 0.7g) και γ) του ύψους του τοίχου (4.0m και 7.5m). Τα αποτελέσματα των αναλύσεων χρησιμοποιούνται κατ’ αρχήν για τον προσδιορισμό της στατικής κατανομής και του μεγέθους των εδαφικών ωθήσεων στον τοίχο. Στη συνέχεια υπολογίζεται, η διαφορά φάσης μεταξύ της αδρανειακής δύναμης του τοίχου και της εδαφικής ώθησης, καθώς και του αντίστοιχου ποσοστού της μέγιστης τιμής της δυναμικής εδαφικής ώθησης που ασκείται κατά τη χρονική στιγμή της μεγιστοποίησης της αδρανειακής δύναμης του τοίχου. Οι αναλύσεις υποδεικνύουν ότι η στατική κατανομή των ωθήσεων είναι τριγωνική με τον συντελεστή πλευρικών ωθήσεων να προκύπτει, περίπου, ίσος με Κ0. Κάτω από συνθήκες δυναμικής φόρτισης το ποσοστό της δυναμικής ώθησης προκύπτει πολύ υψηλό (80% έως 90%) – κυρίως για μετρίως πυκνό και πυκνό εδαφικό επίχωμα – ανεξάρτητα από την ένταση της φόρτισης σε αντίθεση με τις πολύ χαμηλές τιμές (δηλαδή ασύγχρονη δράση) που έχουν προκύψει από αντίστοιχη διερεύνηση για την περίπτωση των ευμετακίνητων τοίχων αντιστήριξης. Ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα είναι η παρατήρηση ότι για μικρές τιμές της έντασης της δυναμικής φόρτισης (≤ 0.2g) η συμπεριφορά του υψηλού τοίχου (7.5m) προκύπτει διαφοροποιημένη σε σχέση με αυτή του τοίχου των 4.0m: το ποσοστό της σεισμικής ώθησης είναι πολύ μειωμένο (20% έως 40%), ιδιαίτερα στην περίπτωση των πολύ χαλαρών επιχωμάτων. Παρατηρείται επίσης ικανοποιητική συμφωνία της προκύπτουσας τιμής της εδαφικής ώθησης με αυτή από τη σχέση του Wood(1973) και της αναλυτικής λύσης των Kloukinas et al.(2012). Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η τροποποιημένη κατανομή των εδαφικών ωθήσεων καθ’ ύψος του τοίχου, οι οποίες προκύπτουν αυξημένες στο ανώτερο τμήμα του. Συμπεραίνεται ότι στην περίπτωση του σχεδιασμού των ακλόνητων τοίχων με μετρίως πυκνό και πυκνό επίχωμα η δράση της δυναμικής εδαφικής ώθησης είναι εύλογο και δικαιολογημένο να θεωρείται σύγχρονη με την αδρανειακή δύναμη του τοίχου. / --

- / -

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η κινητική μελέτη της αντίδρασης παραγωγής υδρογόνου μέσω φωτοκαταλυτικής αναμόρφωσης της μεθανόλης και η ανάπτυξη μοντέλου για την περιγραφή του πεδίου της ακτινοβολίας στον πειραματικό φωτοαντιδραστήρα. Τα αποτελέσματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό των κινητικών παραμέτρων της αντίδρασης και τον προσδιορισμό των σχεδιαστικών παραμέτρων που απαιτούνται για την ανάπτυξη και βελτιστοποίηση κατάλληλου φωτοαντιδραστήρα. Η φωτοκαταλυτική διάσπαση του νερού με χρήση ημιαγωγών και ηλιακής ακτινοβολίας αποτελεί μια από τις πλέον υποσχόμενες διεργασίες για τη φωτοχημική μετατροπή και αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας. Η αντίδραση μπορεί να λάβει χώρα μέσω διέγερσης ενός ημιαγωγού (π.χ. TiO2) από φωτόνια με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το ενεργειακό του χάσμα. Το αποτέλεσμα είναι η προώθηση ενός ηλεκτρονίου από τη ζώνη σθένους (VB) στη ζώνη αγωγιμότητας (CB) του υλικού και η δημιουργία μιας οπής στην ζώνη αγωγιμότητας: (1) Η συνήθης τύχη των φωτοπαραγόμενων φορέων φορτίου είναι η (μη επιθυμητή) επανασύνδεσή τους, που συνοδεύεται από έκλυση της αποθηκευμένης ενέργειας με τη μορφή θερμότητας: (2) Οι φωτοπαραγόμενες οπές και τα ηλεκτρόνια που καταφέρνουν να φθάσουν στην επιφάνεια του ημιαγωγού μπορούν, υπό ορισμένες προϋποθέσεις, να εκκινήσουν αντιδράσεις για την παραγωγή οξυγόνου και υδρογόνου μέσω οξείδωσης και αναγωγής του νερού, αντίστοιχα: (3) (4) Το πρόβλημα είναι ότι ο ρυθμός παραγωγής υδρογόνου είναι πολύ μικρός, κυρίως λόγω της εγγενώς μικρής κβαντικής απόδοσης της διεργασίας, η οποία καθορίζεται από την αντίδραση επανασύνδεσης ηλεκτρονίου-οπής (Εξ.2). Η αντίδραση επανασύνδεσης μπορεί να κατασταλεί παρουσία κατάλληλων “θυσιαζόμενων” ενώσεων στο διάλυμα, οι οποίες αντιδρούν ταχέως και μη αντιστρεπτά με τις φωτοπαραγόμενες οπές. Με τον τρόπο αυτό αυξάνεται ο χρόνος ζωής των ηλεκτρονίων και, επομένως, ο ρυθμός παραγωγής υδρογόνου μέσω της Εξ. 4. Ως θυσιαζόμενες ενώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν χαμηλού ή “αρνητικού” κόστους οργανικές ενώσεις, όπως παραπροϊόντα και παράγωγα βιομάζας. Οι ενώσεις αυτές οξειδώνονται προοδευτικά από τις οπές προς CO2, με αποτέλεσμα τα φωτοπαραγόμενα ηλεκτρόνια να ανάγουν αποδοτικά το νερό προς παραγωγή Η2. Η συνολική διεργασία μπορεί να περιγραφεί από την ακόλουθη γενική αντίδραση αναμόρφωσης: (5) Χαρακτηριστικά πλεονεκτήματα της μεθόδου αποτελούν ο σχετικά υψηλός ρυθμός παραγωγής υδρογόνου και το γεγονός ότι, σε αντίθεση με τις συνήθεις θερμοκαταλυτικές αντιδράσεις αναμόρφωσης, η αντίδραση πραγματοποιείται σε συνθήκες περιβάλλοντος. Επιπροσθέτως, η παραγωγή υδρογόνου μπορεί να λάβει χώρα με ταυτόχρονη αποικοδόμηση οργανικών ρύπων, με προφανή περιβαλλοντικά οφέλη. Ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα που σχετίζεται με τις περιορισμένες εφαρμογές των φωτοκαταλυτικών μεθόδων σε πιλοτική και βιομηχανική κλίμακα οφείλεται στη δυσκολία σχεδιασμού και ανάπτυξης αποδοτικών φωτοαντιδραστήρων. Το πρόβλημα του σχεδιασμού έγκειται στο γεγονός ότι, σε αντίθεση με τους συμβατικούς καταλύτες, η ενεργοποίηση ενός φωτοκαταλύτη δε γίνεται θερμικά αλλά μέσω απορρόφησης φωτονίων κατάλληλης ενέργειας. Επομένως, για την μοντελοποίηση ενός φωτοαντιδραστήρα απαιτείται, εκτός από τη χρήση των συνήθων εξισώσεων για τα ισοζύγια μάζας, θερμότητας και ορμής, μια επιπλέον εξίσωση για την περιγραφή του ισοζυγίου της ενέργειας της ακτινοβολίας στο σύστημα. Η εξίσωση αυτή χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του “τοπικού ογκομετρικού ρυθμού απορρόφησης ενέργειας” (local volumetric rate of energy absorption, LVREA), ο οποίος αποτελεί μια από τις σημαντικότερες σχεδιαστικές παραμέτρους ενός φωτοαντιδραστήρα διότι περιγράφει την ποσότητα των φωτονίων που απορροφούνται ανά μονάδα όγκου σε κάθε σημείο του αντιδραστήρα. Για τον σχεδιασμό του αντιδραστήρα είναι επίσης απαραίτητη και μία έκφραση του ρυθμού της αντίδρασης. Για την εξαγωγή αυτής της έκφρασης απαιτείται η εύρεση του ρυθμού του βήματος ενεργοποίησης μέσω ακτινοβολίας, ο οποίος εκφράζεται συναρτήσει του LVREA. Εφόσον ο ρυθμός αυτός είναι γνωστός μπορεί να εισαχθεί στο κινητικό μοντέλο της αντίδρασης ενώ οι διάφορες κινητικές παράμετροι μπορούν να υπολογιστούν πειραματικά. Μεταξύ των προσεγγίσεων που έχουν προταθεί για τον υπολογισμό του LVRΕA, οι πιο ακριβείς περιλαμβάνουν την αριθμητική επίλυση της εξίσωσης μεταφοράς ακτινοβολίας (radiation transfer equation, RTE). Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιείται η μέθοδος των “φασματικών στοιχείων” (spectral elements) για την επίλυση ενός μονοδιάστατου μοντέλου για την περιγραφή του πεδίου της ακτινοβολίας και τον υπολογισμό του LVREA σε έναν πειραματικό αντιδραστήρα, στον οποίο περιέχεται ο φωτοκαταλύτης σε μορφή αιωρήματος. Η αντίδραση που μελετάται είναι η παραγωγή υδρογόνου μέσω της φωτοκαταλυτικής αναμόρφωσης της μεθανόλης (Εξ. 6) σε αιώρημα καταλύτη 0.5%Pt/TiO2, το οποίο ακτινοβολείται με φως στη περιοχή που απορροφά το TiO2. (6) Σύμφωνα με το μοντέλο που αναπτύχθηκε, ο ρυθμός της φωτοκαταλυτικής αντίδρασης εξαρτάται από τη συγκέντρωση του καταλύτη στο αιώρημα, την ειδική ένταση ακτινοβολίας και τη συγκέντρωση του αντιδρώντος στο διάλυμα. Για τον σκοπό αυτό, μελετήθηκε στην παρούσα εργασία η επίδραση των λειτουργικών παραμέτρων της αντίδρασης, όπως η ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (Ι0), η συγκέντρωση του φωτοκαταλύτη (Ccat) και η συγκέντρωση της μεθανόλης, (CMeOH) στο ρυθμό παραγωγής Η2 (rH2). Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι ο ρυθμός παραγωγής υδρογόνου εξαρτάται ισχυρά από τη συγκέντρωση του οργανικού υποστρώματος και αυξάνει κατά σχεδόν δύο τάξεις μεγέθους με αύξηση της CMeOH από 0 σε 1 mol L-1. Επιπλέον, αύξηση του ρυθμού επιτυγχάνεται με αύξηση του Ι0. Τα αποτελέσματα των φωτοκαταλυτικών πειραμάτων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μοντελοποίηση του συστήματος και το σχεδιασμό φωτοκαταλυτικού αντιδραστήρα για την παραγωγή υδρογόνου. / Heterogeneous photocatalytic reactions occurring at the surface of illuminated semiconductors, especially TiO2, have been the subject of extensive investigation in the last few years. This is because of the high potential of photocatalytic processes for a wide range of applications, which include mineralization of organic pollutants, disinfection of water and air, production of renewable fuels, and organic syntheses. Although remarkable progress has been made in fundamental research, applications in pilot and industrial scale are still in their infancy. This is mainly due to the lack of efficient solar photocatalysts and the difficulty of designing photoreactors able to integrate maximum light efficiency and mass transfer within one piece of equipment. Regarding photoreactor design, complications arise from the mode of photocatalyst activation, which involves excitation of the semiconductor photocatalyst by photons of appropriate energy. Thus, in addition to the usual equations for mass, heat and momentum balances, photoreactor modelling requires an additional equation to describe the balance of radiation energy in the system. This equation is used to calculate the "local volumetric rate of energy absorption" (LVREA) which describes the amount of photons absorbed per unit volume at each point of the reactor and provides one of the major photoreactor design parameters. The LVREA depends on the characteristics of the incident radiation, the optical properties of the system, the type and concentration of the photocatalyst and the geometry of the reactor. Therefore, calculation of the LVREA requires knowledge of the distribution of the radiation field inside the reactor. Among the various approaches proposed to calculate the LVREA, the most accurate ones are those that solve numerically the “radiation transfer equation” (RTE). This requires the development of a mathematical model that describes the emission model of the radiation source and the radiation field inside the reactor. In the present work, we have developed a one-dimensional spectral element algorithm for the description of the radiation field and the calculation of the LVREA in an experimental photoreactor containing the photocatalyst (Pt/TiO2) in suspension. The target reaction investigated was the photocatalytic reforming of methanol for hydrogen production (CH3OH+H2O→3H2+CO2). The radiation source used was a light emitting diode (LED), which emits radiation at wavelengths (λmax=390 nm) corresponding to the bandgap of TiO2 (3.2 eV). Our results refer to the effect of operating parameters such as incident light intensity (I0), photocatalyst content (CTiO2), and methanol concentration (CMeOH) on the rate of H2 production (rH2). They show that rH2 depends strongly on methanol concentration and increases by almost 2 orders of magnitude when CMeOH is increased from 0 to 1 mol L-1. A substantial enhancement of rH2 is also observed with increasing I0 or CTiO2. Results of photocatalytic experiments and photoreactor modelling are used to extract kinetic parameters for the methanol photoreforming reaction.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τις παραμένουσες μετακινήσεις κατασκευών υπό σεισμικές δράσεις, με στόχο την πληρέστερη κατανόηση και ποσοτικοποίησή τους. Για τον υπολογισμό των παραμενουσών μετακινήσεων πραγματοποιήθηκαν μη-γραμμικές δυναμικές αναλύσεις μονοβάθμιων συστημάτων, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στη μορφή του νόμου υστέρησης, ώστε να έχει τα χαρακτηριστικά που προσιδιάζουν σε κατασκευές οπλισμένου σκυροδέματος. Συγκεκριμένα, υιοθετήθηκε η κατηγοριοποίηση των κατασκευών ΟΣ κατά Erberik (2011) σε τρεις βασικές Κατηγορίες, ανάλογα με την υστερητική τους συμπεριφορά: (α) νέα κτίρια, σχεδιασμένα με σύγχρονους αντισεισμικούς κανονισμούς, (β) κτίρια που δεν καλύπτουν πλήρως τους σύγχρονους αντισεισμικούς κανονισμούς και (γ) παλαιά κτίρια που δεν διαθέτουν σεισμική αντοχή. Για λόγους σύγκρισης εξετάστηκε και η ιδανική υστερητική συμπεριφορά. Η παραμένουσα μετακίνηση κάθε συστήματος, Ures, κανονικοποιήθηκε ως προς τη μέγιστη μετακίνηση που θα είχε λάβει το σύστημα αν η απόκρισή του ήταν ελαστική, με 5% απόσβεση, Sd, αλλά και ως προς τη μέγιστη ανελαστική μετακίνηση του συστήματος, Umax. Οι λόγοι Ures/Sd και Ures/Umax μελετήθηκαν εκτενώς και αναπτύχθηκαν πιθανοτικά προσομοιώματα για τα φάσματα ανηγμένων παραμενουσών μετακινήσεων που προέκυψαν. Επιπλέον, διαπιστώθηκε η επίδραση της ύπαρξης παλμού στην εδαφική κίνηση στους λόγους Ures/Sd και Ures/Umax, και διερευνήθηκαν οι λόγοι της επιρροής του. Περαιτέρω, οι πειραματικές παραμένουσες μετακινήσεις πέντε τριώροφων επίπεδων πλαισίων ΟΣ που υποβλήθησαν σε ψευδοδυναμικές δοκιμές με εξωτερικά επιβαλλόμενα κατακόρυφα φορτία στο METU (Middle East Technical University) συσχετίστηκαν με τις αναλυτικές από μη-γραμμικές δυναμικές αναλύσεις χρονοϊστορίας. Εξετάστηκε αν τα διαθέσιμα υπολογιστικά εργαλεία ανάλυσης δύνανται να υπολογίσουν ικανοποιητικά τις παραμένουσες μετακινήσεις, αλλά και ποιοι παράγοντες ευθύνονται για τις ασυμφωνίες μεταξύ πειραματικών και αναλυτικών τιμών. Τέλος, οι λόγοι Ures/Sd και Ures/Umax που προέκυψαν από την ανάλυση των δοκιμίων και από την επεξεργασία των πειραματικών αποτελεσμάτων συγκρίθηκαν με τα φάσματα ανηγμένων παραμενουσών μετακινήσεων μονοβάθμιων συστημάτων. / The present study aims to evaluate and quantify seismic residual displacements. In order to compute residual displacements, non-linear dynamic analyses were conducted for single degree of freedom systems with cyclic force-deformation relations typical of reinforced concrete structures. To this end, the versatile modeling approach of Erberik (2011) was adopted, which was tuned to three different categories of RC structures, ranging from new earthquake resistant ones to existing substandard construction, with an intermediate situation. The ideal hysteretic behavior was also examined. For each single degree of freedom system, residual displacement, Ures, was expressed as ratio to the peak inelastic, Umax or the 5%-damped elastic displacement of the response, Sd. Ratios Ures/Sd and Ures/Umax were thoroughly studied and normalized residual displacements response spectrums were created. Moreover, it was noted that the existence of a distinct velocity pulse in the ground motion affects the magnitude of these ratios, and the reasons of this influence were further investigated. Furthermore, experimental residual displacements from five three-story reinforced concrete frames, which were subjected to pseudo-dynamic tests in METU (Middle East Technical University), were compared to analytical residual displacements from non-linear time-history analyses. The study focused on whether modern analysis tools can accurately predict residual displacements and which factors create the observed discrepancies between analytical and experimental values. Lastly, ratios Ures/Sd and Ures/Umax from experiments and time-history analyses were compared to the normalized residual response spectrums of single degree of freedom systems.