Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας, είναι να παραθέσει τους τρόπους με τους οποίους προστατεύουμε ψηλά κτίρια - κατασκευές από κεραυνικά πλήγματα. Η προστασία των ψηλών κατασκευών είναι εντελώς διαφορετική από την προστασία χαμηλότερων κατασκευών αφού παύουν να ισχύουν οι κανόνες και τα επίπεδα προστασίας για κτίρια μέχρι 60m που ισχύουν στους διεθνείς οργανισμούς και τον Ε.Λ.Ο.Τ. Από τα 60m και πάνω οι συνθήκες είναι πολύ διαφορετικές, γι αυτό το λόγο γίνεται επεξήγηση για όλους τους παράγοντες που επηρεάζουν μια ψηλή κατασκευή όσον αφορά την προστασία της με τη γειωμένη μεταλλική ράβδο του αλεξικέραυνου του Franklin. Επίσης, μέσω της εφαρμοσμένης υπολογιστικής εξομοίωσης γίνεται προσπάθεια να βρεθεί η απόσταση διάσπασης ( stricking distance ) δηλαδή η ακτίνα προστασίας που καλύπτει μια κατασκευή με μέθοδο προστασίας την ακίδα Franklin. Τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα συγκρίνονται με πειραματικές μετρήσεις που έγιναν σε εργαστήριο. Παρακάτω παρατίθενται τα περιεχόμενα του κάθε κεφαλαίου της εν λόγω εργασίας. Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται πλήρης ανάλυση για τη φυσική των κεραυνών. Γίνεται κατηγοριοποίηση των φάσεων που εξελίσσονται σε κεραυνό από τη γη μέχρι τα σύννεφα και παρουσιάζεται ο μηχανισμός των ατμοσφαιρικών εκκενώσεων. Ακόμα, γίνεται εξήγηση για τους ανοδικούς συνδετικούς οχετούς και την απόσταση διάσπασης από τα’ αλεξικέραυνα και τους οχετούς καθόδου. Στο 3ο κεφάλαιο αναπτύσσονται οι βασικοί παράμετροι και εξισώσεις που ισχύουν για ψηλά κτίρια όπως η ελάχιστη ακτίνα προστασίας-απόσταση διάσπασης, η ισοδύναμη επιφάνεια, η πιθανότητα της ελάχιστης ακτίνας διάσπασης και ανοδικών leader από τέτοια ψηλά κτίρια, ο επηρεασμός της ακίδας προστασίας και απόστασης διάσπασης από θετικούς κεραυνούς, τη σχέση που έχουν τα ψηλά κτίρια με την απόσταση διάσπασης και την επίδραση των γειτονικών κατασκευών. Ακολούθως, γίνεται περιγραφή της μεθόδου CVM για το χειρισμό ψηλών κατασκευών με επίπεδα και γωνίες προστασίας και πίνακες ρίσκου βασισμένα σε στατιστικές από κεραυνούς. Μετέπειτα, βλέπουμε πως επηρεάζεται η απόσταση διάσπασης από τη γεωμετρία της κατασκευής, από την γεωμετρία της ακίδας προστασίας Franklin, αλλά και από τη βέλτιστη ακτίνα κορυφής της ακίδας προστασίας Franklin. Στο 4ο κεφάλαιο γίνεται προσπάθεια να προσδιορίσουμε τη ζώνη προστασίας με τη χρήση υπολογιστικού μοντέλου. Αρχικά, αναφέρουμε κάποια στοχαστικά μοντέλα διάσπασης διηλεκτρικών. Μετά προχωρούμε στην περιγραφή με λεπτομέρεια των υπολογιστικών εξομοιώσεων που πραγματοποιήσαμε και την τακτική επεξεργασίας τους. Ακολούθως, προσδιορίσαμε τη ζώνη προστασίας των εξομοιώσεων για ύψος ακίδας 80cm και 100cm με γραμμικές εξισώσεις από προσαρμογή των μετρήσεων στις γραφικές παραστάσεις που δείχνουμε και αντίστοιχα στοιχεία για τις δυο ακίδες με αύξηση της τάσης 10%. Στο τέλος γίνεται επεξεργασία των δεδομένων και συγκρίνουμε τις μετρήσεις που βρήκαμε μεταξύ τους αλλά και με άλλους μελετητές. Αναφέρουμε τα αποτελέσματα της διεξαγωγής των υπολογιστικών εξομοιώσεων και τα συμπεράσματα. Στο 5ο κεφάλαιο κάνουμε ανακεφαλαίωση των θεωρητικών στοιχείων που ισχύουν για τις ψηλές κατασκευές και γενική συζήτηση. Επίσης εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα από τις υπολογιστικές εξομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν τόσο για την απόσταση διάσπασης όσο και για τις εξομοιώσεις που πραγματοποιήσαμε / The purpose of this project is to set out the possible ways that protect tall structures from lightning strikes. The protection of the tall structures is a completely different task from the protection of the shorter structures. That is because the rules and the protection levels applied by National Organizations (International Committee) and Ε.Λ.Ο.Τ. that concern structures to 60 meters, cease to exist in the case of taller structures. Concerning the structures that are taller than 60 meters the protection circumstances are very different from those of shorter structures. That is why this thesis explain all the factors that affect a tall structure, as far as its protection with the “Franklin Rod” is concerned. Furthermore, through computer simulation the author attempted to determine the striking distance, which is the protection radius that covers a structure, by utilizing as a method of protection the Franklin Rod. The results and conclusions that arose were compared with experimental measurements that took place in the lab. Below, the content of each chapter of this thesis is described. In the second chapter it is attempted a thorough analysis of the nature of lightning. Then there is a categorization of the phases that evolve to a lightning, from the ground to the clouds. The mechanism of atmospheric evacuation is also presented. Moreover, the upward connection leaders, the striking distance from the lightning rods and the downward leaders are described and explained. In the third chapter, the basic parameters and equations that apply to tall buildings are described. Some of these parameters are the attractive radius, the striking distance, the equivalent exposure area, the weighted average attractive area, the upward leaders from such tall buildings, the influence of the Franklin rod, the striking distance from positive flashes, the relation that the tall structures have with the striking distance and finally the influence of the surrounding structures. In addition, the CVM (Collection Volume Method) is described which deals with tall structures by utilizing protection levels and derating angles and risk analysis tables based on lightning’s statistics. Moreover, we see how the striking distance is affected by the structure geometry, by the geometry of the Franklin rod but also by the optimum tip radius of Franklin rod. In the fourth chapter the author attempted to determine the protection zone by using a computer model. Firstly, some stochastic models of dielectric breakdown are described. Furthermore, a detailed description of the computer simulations that we accomplished and the method of processing them are described. Moreover, the author determined the protection zone of the simulations for rod height: 80cm and 100cm with linear equations, by using measurement fitting to graphs where we show the respective elements for the two rods by raising 10 % of the Volts of the measurement. In the end, the data were processed and a comparison of this thesis’ findings and that of other authors were compared. The author also describes the results of the computer simulations and the conclusions that arose. In the fifth chapter the author revised the theoretical elements that apply to the tall structures and makes reflections on the findings. Moreover, useful conclusions arise from computer simulations that took place as far as the striking distance as well as the simulation is concerned.

Η εξοικονόμηση ενέργειας αποτελεί τον βασικότερο πυλώνα της ενεργειακής πολιτικής κάθε χώρας. Ο κτιριακός τόμέας καταναλώνει ένα αρκετα μεγάλο ποσοστό της συνολικής απιτούμενης ενέργειας σύμφωνα με την Ευρωπαική Ένωση γι'αυτό μελετάμε σε πρώτο στάδιο την ενεργειακή κατανάλωση ενός κτιρίου σύμφωνα με μια κοινά αποδεκτή μεθοδολογία προερχόμενη από την Ευρωπαική Επιτροπή (CEN), η οποία στηρίζεται σε επιστημονικά δεδομένα και στατιστικές μελέτες για να προσεγγίζει ένα βέλτιστο αποτέλεσμα. Επιπλέον, μελετάμε πως συμβάλλει ο τύπος κτιρίου, οι κλιματολικές συνθήκες της περιοχής όπως και τα συστήματα θέρμανσης-ψύξης, φωτισμού και ζεστού νερού χρήσης στην κατανάλωση ενέργειας του κτιρίου. Τέλος δημιουργήσαμε ένα πρόγραμμα όπου με αντικατάσταση των συστημάτων που αναφέραμε παρουσιάζεται (και σε γραφικό περιβάλλον) τόσο η ενεργειακή εξοικονόμηση όσο και η εξοικονόμηση χρημάτων. / This diploma thesis focuses on the consumption of buildings, becayse an ever icreasing persentage of total energy is required to cover domestic needs. Firstly,we calculate the energy requirements of a building according to a common methodology derived from the European Commission (CEN),with which we have an otimal result becase it is based on scientific thought and statistics.Moreover, the energy that is finally consumed depends on the type of building, the climatic conditions of the area and the heating, cooling, lighting and water-heating systems that are used.The research, on how all the above, contribute to the energy consumption, as well as the possibility of the comparison if the above systems are replaced with more economical ones, were the reasons to create a program(including grafic interface).

Σημαντική παράμετρος στο σχεδιασμό των σύγχρονων κτιρίων αποτελεί η ορθολογικότερη διαχείριση της ενέργειας. Η ορθολογικότερη διαχείριση ενέργειας επιτυγχάνεται με το σχεδιασμό κατάλληλων ενεργειακών συστημάτων. Για την αποτελεσματική σχεδίαση αυτών των συστημάτων λαμβάνονται υπόψιν τα μετεωρολογικά δεδομένα, όχι μόνο τα τρέχοντα αλλά και τα προγνωστικά. Τα αριθμητικά πρότυπα πρόγνωσης καιρού παρέχουν εκτιμήσεις των διαφόρων μετεωρολογικών παραμέτρων σε δεδομένα σημεία του χώρου κοντά στην επιφάνεια του εδάφους αλλά και σε διάφορα ύψη. Οι εκτιμήσεις αυτές αποκλίνουν αρκετά από τα πραγματικά δεδομένα γεγονός που παρέχει ένα σημαντικό περιθώριο βελτίωσης της πρόγνωσης. Στην εργασία αυτή προτείνεται μία μέθοδος βελτίωσης της πρόγνωσης μετεωρολογικών δεδομένων με στόχο την αξιοποίηση τους για βελτιστοποίηση της ενεργειακής κατανάλωσης κτιρίου. Η μέθοδος αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας μετρήσεις της ταχύτητας του ανέμου από το μετεωρολογικό σταθμό του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατμόσφαιρας του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών (ΕΦΑΠ2), καθώς και προγνώσεις του ΕΦΑΠ2 μέσω του αριθμητικού προτύπου πρόγνωσης καιρού WRF (Weather Research and Forecasting model) στο πλησιέστερο δυνατό πλεγματικό σημείο. . Η μέθοδος που προτείνεται, αξιοποιεί τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα και όντας ανεξάρτητη της φύσης της εισόδου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της πρόγνωσης μετεωρολογικών παραμέτρων. Επιπλέον, μελετήθηκε η συνεισφορά της μεθόδου στον ακριβέστερο υπολογισμό της ροής αέρα, η οποία υπολογίζεται για ένα πειραματικό θάλαμο δοκιμών, ο οποίος έχει υιοθετηθεί από την Ευρωπαϊκή επιτροπή για την εναρμονισμένη μελέτη ενεργειακών συστημάτων κτιρίων υπό πραγματικές συνθήκες. / An important consideration in the design of modern buildings is the rational use of energy. The rational energy management is achieved by designing appropriate energy systems. For efficient design of these systems we should take into account the meteorological data, not only current but also predictive.Numerical weather prediction models provide estimates of various meteorological parameters to data points of space near the surface and at various heights. These estimates differ considerably from the actual data which provides a significant margin improvement of prognosis. In this work we propose a method of improving the prediction of meteorological data to exploit them to optimize energy consumption in building management systems. The method was developed using measurements of wind speed, from the meteorological station of the Laboratory of Atmospheric Physics of the Department of Physics of the University of Patras (LAPUP), and prognostications LAPUP through numerical weather prediction model WRF (Weather Research and Forecasting model) to the closest possible lattice point. The proposed method utilizes the artificial neural networks and being independent of the nature of the inputs it can be used to improve forecasting meteorological parameters. Furthermore, we studied the contribution of the method to accurately calculate the air flow of an experimental test chamber, which has been adopted by the European Committee for the study of building management systems under real conditions.

Στις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης ο κτιριακός τομέας απορροφά περίπου το 40% της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης, γεγονός που καθιστά απαραίτητο το λειτουργικό και φιλικό προς το περιβάλλον σχεδιασμό των κτιρίων, παράλληλα με τον περιορισμό των συνολικών ενεργειακών αναγκών τους για την εξοικονόμηση ενέργειας. Όσον αφορά τα ήδη υπάρχοντα κτίρια, μπορούν να γίνουν διάφορες παρεμβάσεις ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη δυνατή εξοικονόμηση ενέργειας. Από την άλλη, η Ε.Ε.,στα πλαίσια της βιώσιμης ανάπτυξης και της προστασίας του περιβάλλοντος, έχει θέσει ως στόχο για το 2020 τα καινούρια κτίρια να είναι μηδενικών εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. Για την υλοποίηση του στόχου αυτού, είναι αναγκαίος ο σχεδιασμός των κτιρίων σύμφωνα με τις αρχές της βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής, για την ελαχιστοποίηση των ενεργειακών τους αναγκών αλλά και η εφαρμογή συστημάτων Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας για την παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας και την ελαχιστοποίηση έτσι των εκπομπών CO2 στην ατμόσφαιρα από τα ορυκτά καύσιμα. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, αναπτύσσονται στρατηγικές που αποσκοπούν στην αρμονική ένταξη των κτιρίων στο φυσικό περιβάλλον, παρουσιάζονται τα θέματα εξοικονόμησης ενέργειας στα κτίρια, διατυπώνονται οι βασικές παράμετροι για την επίτευξη ολιστικής ενεργειακής κάλυψης των κτιρίων και την προετοιμασία του επόμενου βήματος σχετικά με την ενέργεια στα κτίρια για το έτος 2020 και δίνονται νέες τεχνολογικές λύσεις που αναπτύχθηκαν στο εργαστήριο ηλιακής ενέργειας, με σκοπό την βέλτιστη αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας και των άλλων ΑΠΕ στα κτίρια. Στα πλαίσια της πλήρους κάλυψης των κτιριακών ενεργειακών αναγκών από ΑΠΕ και της προώθησης των κτιρίων σχεδόν μηδενικής κατανάλωσης από συμβατικές ενεργειακές πηγές, μελετάται πειραματικά η συμβολή των φωτοβολταϊκών σε δυσμενή κλίση και προσανατολισμό. Εξετάζεται η συνεισφορά διάχυτων ανακλαστήρων στην ενεργειακή τους απόδοση, η επίδραση του υλικού της θερμομόνωσης και του περιορισμού των θερμικών απωλειών. Τέλος, εξετάζεται η αξιοποίηση κάθε τμήματος του κτιρίου που μπορεί να έχει θετική συμβολή στο ενεργειακό θέμα. Έτσι προτείνονται τρόποι τοποθέτησης φωτοβολταϊκών σε οριζόντιες και επικλινείς στέγες και στις προσόψεις των κτιρίων, με προσθήκη ανακλαστήρα όπου είναι δυνατό, που μπορούν να συνεισφέρουν στην επίτευξη μηδενικού ενεργειακού ισοζυγίου στα κτίρια. / In the countries of the European Union the building sector accounts for about 40% of the total energy consumption, so it is necessary that the buildings should be designed in a functional and environmentally-friendly way, in addition to the minimization of of the total energy needs to achieve energy savings. As for the existing buildings, they should be renovated so that maximum energy savings is achieved. On the other hand, the EU’s target for 2020 is that new buildings must be of zero carbon dioxide emissions. For the implementation of this goal, buildings should be designed according to the principles of bioclimatic architecture to minimize energy needs, but also systems of Renewable Energy Sources should be applied to produce thermal energy and electricity, in order to minimize carbon dioxide emissions from fossil fuels. In the present thesis, strategies aiming to harmonic integration of buildings in the natural environment are developed, holistic energy saving aspects for buildings are presented, aspects regarding the next step to the target for 2020 are given, and some new designs of building integrated RES, investigated at the Solar Energy Laboratory, are suggested. Approaching the holistic contribution of the renewable energy sources (RES) to buildings for total cover of their energy demand, and the achievement of nearly zero energy buildings, the contribution of photovoltaics in disadvantageous inclination and azimuth angle is experimentally studied. The contribution of diffuse reflectors to pV’s energy efficiency, the impact of thermal insulation materials and the impact of limitating the thermal losses to PV’s operation, are studied as well. Furthermore, the use of every single part of the building in order to contribute to its energy supply, is considered. Designs for photovoltaic integration on horizontal and inclined roofs and facades are suggested, combined with booster reflector if possible, aiming to achieve zero energy balance of buildings.