The Influence of Outdoor Particulate Matter PM2.5 on Indoor Air Quality: The Implementation of a New Assessment Method

Epidemiological research has shown that there is a positive correlation between the incidence of disease and mortality in humans and the mass concentration of particulate matter. An average 1 g of suspended dust emitted in a room results in the same exposure as 1 kg emitted to the outside air. In this study, the authors described the state of knowledge on dust pollution inside and outside buildings (I/O ratios), and methods of testing the PM infiltration process parameters. According to the law of indoor–outdoor particle mass balance and the physical basis of aerosol penetration theory, a relatively simple but new method for estimating the penetration factor P was tested. On the basis of the curve of dynamic changes of internal dust concentration in the process of particle concentration decay and next of the followed curve of dynamic rebound of particle concentration, authors measured penetration factor of ambient PM2.5 through building envelope. Authors modification of the method is to be used for determining the value of the particle deposition rate k not from the course of the characteristics in the transient state (the so-called particle concentration decay curves) but from the concentration rebound course, stimulated by natural particle infiltration process. Recognition measurements of the mass concentration of suspended PM2.5 and PM10 particles inside the rooms were carried out. In this study, the choice of the prediction particle penetration factor P calculation method was supported by the exemplary calculation of the p value for a room polluted by PM2.5. The preliminary results of the penetration factors determined by this method P = 0.61 are consistent with the P factor values from the literature obtained so far for this dimensional group of dusts.

Performance Analysis Of VSF-OFCDM Femtocells

In this thesis, we analyze the performance of a variable spreading factor (VSF) OFCDM employed in femtocells, with OFDM used in macrocells in a hybrid heterogenous network. Orthogonal subcarriers are assigned to macro users and for femtocell users, non-contiguous subcarrier grouping is employed. We derive the analytic expression of the BER for uplink VSF-OFCDM femto and OFDM macro users for the case of maximal ratio combining receiver. We evaluate the performance of femto/macro users in VSF-OFCDM system through numerical and Monte Carlo simulation studies. Improvement in BER of the femtocell users is also noted. The relationship between the femto spreading factor and femto/macro BER is analyzed. We present, the relationship between the channel load and optimum spreading factor employed by femtocell users for the energy efficient performance of macro users. Femto wall penetration loss, that is the important parameter to evaluate the femto performance, is also taken into account. Also, effect of femto wall penetration on macro BER is evaluated for various spreading factors. Following our study, we find that interference-limited system favors increased time spreading especially when number of subcarriers is limited and noise-limited system favors increased frequency domain spreading. When large number of subcarriers are available, optimum spreading (from macro perspective) favors increased frequency domain spreading regardless of the femto-macro loads, or whether operating environment is noise or interference limited. Once the optimum spreading factor is determined, increase or decrease in the femto Eb/No does not matter. Also, femto wall penetration factor not only effects the femto BER directly, but also reduce the potential interference faced by macro user equipment (UEs). As a result macro BER is improved, but the choice of optimal spreading factor for macro UEs remain unaffected with the variation in femto wall penetration loss.

Performance Analysis Of VSF-OFCDM Femtocells

In this thesis, we analyze the performance of a variable spreading factor (VSF) OFCDM employed in femtocells, with OFDM used in macrocells in a hybrid heterogenous network. Orthogonal subcarriers are assigned to macro users and for femtocell users, non-contiguous subcarrier grouping is employed. We derive the analytic expression of the BER for uplink VSF-OFCDM femto and OFDM macro users for the case of maximal ratio combining receiver. We evaluate the performance of femto/macro users in VSF-OFCDM system through numerical and Monte Carlo simulation studies. Improvement in BER of the femtocell users is also noted. The relationship between the femto spreading factor and femto/macro BER is analyzed. We present, the relationship between the channel load and optimum spreading factor employed by femtocell users for the energy efficient performance of macro users. Femto wall penetration loss, that is the important parameter to evaluate the femto performance, is also taken into account. Also, effect of femto wall penetration on macro BER is evaluated for various spreading factors. Following our study, we find that interference-limited system favors increased time spreading especially when number of subcarriers is limited and noise-limited system favors increased frequency domain spreading. When large number of subcarriers are available, optimum spreading (from macro perspective) favors increased frequency domain spreading regardless of the femto-macro loads, or whether operating environment is noise or interference limited. Once the optimum spreading factor is determined, increase or decrease in the femto Eb/No does not matter. Also, femto wall penetration factor not only effects the femto BER directly, but also reduce the potential interference faced by macro user equipment (UEs). As a result macro BER is improved, but the choice of optimal spreading factor for macro UEs remain unaffected with the variation in femto wall penetration loss.

Smart natural lighting systems

Η διδακτορική αυτή διατριβή διερευνά τη φωτιστική και ενεργειακή απόδοση των φωτοσωλήνων. Οι φωτοσωλήνες αποτελούν καινοτόμα συστήματα φυσικού φωτισμού που μπορούν να μεταφέρουν το φως από την οροφή ή τις όψεις του κτιρίου, μέσω σωλήνων υψηλής ανακλαστικότητας, για μεγάλες αποστάσεις, και να προσφέρουν φυσικό φως σε χώρους που υπό άλλες συνθήκες δε θα είχαν πρόσβαση σε αυτό.Βάσει της ανασκόπησης της υπάρχουσας βιβλιογραφίας και των κενών που εντοπίστηκαν, η παρούσα διατριβή έχει σα στόχο να συνεισφέρει στη γνώση τη σχετική με την τεχνολογία των φωτοσωλήνων, μέσω πειραματικής εξέτασης της απόδοσής τους στο περιβάλλον της Ελλάδας, να μελετήσει τις υπάρχουσες θεωρητικές μεθοδολογίες και τα προσομοιωτικά εργαλεία υπολογισμού της απόδοσης των φωτοσωλήνων και την ακρίβειά τους να προβλέψουν την απόδοση στις συγκεκριμένες συνθήκες, να αναπτύξει μεθοδολογίες για την ακριβή πρόβλεψη της απόδοσης των φωτοσωλήνων, να διερευνήσει πώς θα μπορούσαν οι φωτοσωλήνες να συνδυαστούν με συστήματα τεχνητού φωτισμού και να υπολογίσει τη δυνητική εξοικονόμηση ενέργειας από τη χρήση τους. Αρχικά, δύο θεωρητικές μεθοδολογίες, οι μέθοδοι Luxplot και TTE αλλά και προσομοιώσεις εφαρμόστηκαν, αναλύθηκαν και τα αποτελέσματά τους συγκρίθηκαν. Η σύγκριση έδειξε ότι τα αποτελέσματα μπορούν να διαφέρουν σημαντικά. Για όλες τις εξεταζόμενες μεθοδολογίες, αναπτύχθηκαν σχέσεις που παρέχουν πιο άμεσα τη μέση Φωτεινότητα από ένα φωτοσωλήνα σε ορθογώνιου σχήματος χώρους. Παράλληλα, ένας φωτοσωλήνας εγκαταστάθηκε σε πειραματικό περιβάλλον ώστε να μελετηθεί η απόδοσή του στις συνθήκες της Αθήνας. Το σύστημα συμπεριλάμβανε το φωτοσωλήνα, λαμπτήρες LED, και αισθητήρα που αντιλαμβάνεται το φυσικό φως και ελέγχει τη φωτεινή ροή των λαμπτήρων. Ο πειραματικός χώρος βρίσκεται στην Πανεπιστημιούπολη του Πανεπιστημίου Αθηνών. Οι παράμετροι που καταγράφηκαν ήταν η εσωτερική και εξωτερική Φωτεινότητα. Η πειραματική περίοδος διήρκεσε από τις 28 Νοεμβρίου 2014 ως τις αρχές Αυγούστου 2015, με διακοπή κατά τη διάρκεια του Ιανουαρίου. Τα πειραματικά δεδομένα που συλλέχθηκαν δείχνουν ότι η μέση Φωτεινότητα από το φωτοσωλήνα κατά τη διάρκεια του πειράματος ήταν 100 lux, ενώ ο μέσος παράγοντας φυσικού φωτός λόγω του φωτοσωλήνα (Daylight Penetration Factor) είναι 0.15%, περίπου. Η μέγιστη τιμή Φωτεινότητας καταγράφηκε στο επίπεδο αναφοράς στις 26/04/2015, 12:15μμ με εξωτερική Φωτεινότητα περίπου 120 klux και ήταν 8.4 klux. Η ελάχιστη τιμή κατά την ίδια χρονική στιγμή ήταν 38 lux και η μέση Φωτεινότητα ήταν 1.043 lux. Οι περιοχές πολύ υψηλής Φωτεινότητας που παρατηρούνται στο επίπεδο εργασίας κατά τη διάρκεια ημερών με καθαρό ουρανό και ηλιοφάνεια, μειώνουν την ομοιογένεια, η οποία κατά μέσο όρο ήταν 0,26. Η ομοιογένεια βελτιώνεται σημαντικά για χαμηλότερες εξωτερικές Φωτεινότητες και όταν το επίπεδο εργασίας περιορίζεται σε χώρο μικρότερου εμβαδού. Οι τιμές εσωτερικής Φωτεινότητας που καταγράφηκαν παρουσιάζουν μεγάλη χρονική και χωρική μεταβλητότητα. Η ανάλυση που πραγματοποιήθηκε δείχνει ότι η μέση εσωτερική Φωτεινότητα μεταβάλλεται σε σχέση με την καθαρότητα του ουρανού και την εξωτερική Φωτεινότητα. Σημαντική μείωση των εσωτερικών επιπέδων φωτισμού παρατηρείται για υψηλές τιμές του παράγοντα Kd, (Δείκτης Αιθριότητας της Διάχυτης Ακτινοβολίας), δηλ. για πιο συννεφιασμένο ουρανό. Υπολογίστηκε πως σε συνθήκες καθαρού ουρανού, η μέση εσωτερική Φωτεινότητα μπορεί να είναι ως 5 φορές μεγαλύτερη από τη Φωτεινότητα σε συνθήκες νεφοσκεπούς ουρανού. Παρατηρήθηκε επίσης ότι η σχέση μεταξύ της εσωτερικής και εξωτερικής Φωτεινότητας είναι σχεδόν εκθετική. Χρησιμοποιώντας τα πειραματικά δεδομένα, αναπτύχθηκαν σχέσεις που επιτρέπουν τον υπολογισμό της μέσης εσωτερικής Φωτεινότητας από το φωτοσωλήνα στο επίπεδο αναφοράς, με ανεξάρτητη μεταβλητή την εξωτερική Φωτεινότητα. Ο Δείκτης Αιθριότητας της Διάχυτης Ακτινοβολίας επίσης ελήφθη υπόψη, αφού αναπτύχθηκαν 10 εξισώσεις, για 10 ομάδες τιμών Kd. Το R2 για τις σχέσεις που αναπτύχθηκαν κυμαίνεται μεταξύ 0.90 και 0.99.Κατόπιν, τα πειραματικά δεδομένα συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα που προσφέρουν οι σχέσεις που αναπτύχθηκαν με τη χρήση θεωρητικών μοντέλων και προσομοιώσεων. Η μέθοδος TTE αποδείχθηκε πως παράγει αποτελέσματα που διαφέρουν σημαντικά με τις πραγματικές τιμές. Τα αποτελέσματα από τη χρήση της μεθόδου Luxplot, καθώς και από τη χρήση των προσομοιώσεων παρουσιάζουν μεγαλύτερη ακρίβεια, με λάθος που κυμαίνεται μεταξύ 38 και 43%. Το λάθος των τριών αυτών μεθοδολογιών δε διαφέρει σημαντικά σα συνάρτηση των εξωτερικών συνθηκών φωτισμού. Η χρήση πειραματικών δεδομένων για την αξιολόγηση του τεχνητού φωτισμού που είχε εγκατασταθεί στο πείραμα δεν κατέστη δυνατή λόγω τεχνικών προβλημάτων. Έτσι, πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις και με στατιστικές μεθόδους υπολογίστηκε η εκτιμώμενη χρησιμοποιούμενη ισχύς για τεχνητό φωτισμό, σε ένα χώρο όμοιο με αυτό του πειράματος και με την ύπαρξη του ίδιου φωτοσωλήνα. Τα συστήματα φωτισμού που χρησιμοποιήθηκαν ήταν δύο: το ένα αναπαρήγαγε τη διάταξη του πειράματος, με λαμπτήρες γύρω από το φωτοσωλήνα, ενώ το δεύτερο περιελάβανε φωτιστικά LED, τοποθετημένα σε ορθό-κανονική διάταξη. Όλα τα συστήματα που χρησιμοποιήθηκαν ελέγχονταν από αισθητήρες φωτός.Από τα δεδομένα των προσομοιώσεων αναπτύχθηκαν σχέσεις που παρέχουν τη χρησιμοποιούμενη ισχύ του συστήματος τεχνητού φωτισμού, για το σύνολο της πειραματικής περιόδου και επί μέρους για κάθε μήνα. Οι ανεξάρτητες μεταβλητές σε αυτή την περίπτωση ήταν η εξωτερική Φωτεινότητα, η θέση του ήλιου (αζιμούθιο και γωνία ύψους) και ο δείκτης αιθριότητας της διάχυτης ακτινοβολίας. Τα τέσσερα συστήματα που δοκιμάστηκαν βρέθηκε να καταναλώνουν από 10 ως 38% λιγότερη ενέργεια, σε σχέση με το ίδιο σύστημα τεχνητού φωτισμού χωρίς την ύπαρξη φωτοσωλήνα και αισθητήρα φωτός. Σε σχέση με τις δυο διατάξεις τεχνητού φωτισμού, βρέθηκε πως στις διατάξεις όπου τα φωτιστικά σώματα είναι κατανεμημένα στο χώρο και όχι γύρω από το φωτοσωλήνα, παρέχουν μεγαλύτερη εξοικονόμηση και πιο ομοιογενή επίπεδα φωτισμού. Τα αποτελέσματα και οι προτεινόμενες σχέσεις που παρουσιάζονται σε αυτή τη διατριβή ισχύουν για το συγκεκριμένο περιβάλλον και τα φωτιστικά συστήματα. Ο στόχος ήταν να αναπτυχθούν μεθοδολογίες και όχι σχέσεις για γενικευμένη χρήση.

Effects of Neighboring Units on the Estimation of Particle Penetration Factor in a Modeled Indoor Environment

Ingress of air from neighboring apartments is an important source of fine particulate matter (PM2.5) in residential multi-story buildings. It affects the measurement and estimation of particle deposition rate and penetration factor. A blower-door method to measure the particle deposition rate and penetration factor has previously been found to be more precise than the traditional decay-rebound method as it reduces variability of PM2.5 ingress from outside. CONTAM is a multi-zone indoor air quality and ventilation analysis computer program to aid the prediction of indoor air quality. It was used in this study to model the indoor PM2.5 concentrations in an apartment under varying PM2.5 emission from neighboring apartments and window opening and closing regimes. The variation of indoor PM2.5 concentration was also modeled for different days to account for typical outdoor variations. The calibrated CONTAM model aimed to simulate environments found during measurement of particle penetration factor, thus identifying the source of error in the estimates. Results show that during simulated measurement of particle penetration factors using the blower-door method for three-hour periods under a constant 4 Pa pressure difference, the indoor PM2.5 concentration increases significantly due to PM2.5 generated from adjacent apartments, having the potential to cause an error of more than 20% in the estimated value of particle penetration factor. The error tends to be lower if the measuring time is extended. Simulated measurement of the decay-rebound method showed that more PM2.5 can penetrate inside if the PM2.5 was generated from apartments below under naturally variable weather conditions. A multiple blower-door fan can be used to reduce the effects of neighboring emission and increase the precision of the penetration estimates.

Blower-door estimates of PM2.5 deposition rates and penetration factors in an idealized room

Particle deposition and penetration in buildings has been widely studied, but the effect of indoor characteristics merits further investigation, so improved experimental methods may be needed. The present study measured indoor and outdoor concentrations of PM2.5 and estimated PM2.5 deposition rates and penetration factors under a variety of different indoor situations, with a novel method (blower-door method). The blower-door method is compared with the standard decay and rebound method for an idealized room (a portable building test cell; 6.08 m [Formula: see text] 2.40 m [Formula: see text] 2.60 m) under eight testing scenarios (empty, cardboard boxes in three arrangements, terry cloth wall covering, and three sets of window holes); run three times to establish the coefficient of variation representing precision. Results show that higher induced indoor–outdoor pressure differences cause a larger variation of estimated effective deposition rate on different indoor surfaces. The deposition rate and penetration factor may be influenced by indoor surface materials. The blower-door method gives higher precision for the estimates, and detects subtle differences in penetration factors, which may be difficult using the decay and rebound method.