Ανάπτυξη μεθοδολογίας για την αξιολόγηση της δυνατότητας περιορισμού της ατμοσφαιρικής ρύπανσης με χρήση φωτοκαταλυτικών επιστρώσεων

Abstract

Within the frame of this Ph.D. thesis an integrated methodology for the assessment of the efficiency of innovative photocatalytic covering materials as a viable means for the abatement of the adverse effects of air pollution on human health and the improvement of the aesthetics of the building sector is developed, validated and applied. To this purpose, as a first step a thorough literature review of existing numerical methodologies is performed in order to select the optimum one, by taking into consideration the need for resolving all urban elements in an area of interest in relation to the computational cost. Based on the findings of this review the RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) – URANS approach of the classical Computational Fluid Mechanics (CFD) discipline is selected. The suggested methodology, which is based on the aforementioned RANS approach, can take into account the combined complex effect of the most prominent environmental parameters on the de-pollution effectiveness of the photocatalytic materials under consideration such as the humidity, the temperature, the initial concentration and the presence of other pollutants and oxygen. The proposed methodology adopts a meta-modelling logic in order to produce estimations for the expected de-pollution efficiency of selected air pollutants in the urban areas of interest for selected periods of time. The basic tools for the assessment and the validation of the adopted holistic approach are the experimental measurements from a field trial and a series of wind tunnel simulations. The field trial measurements proved that the materials under consideration preserve their photocatalytic properties under real atmospheric conditions. At the same time their de-pollution effectiveness remains unaffected from the prevailing meteorological conditions. Considering the fact that field trial measurements are by definition characterized by low representativeness in space and time, a series of measurements in an environmental wind tunnel were conducted to support the findings of the aforementioned field trial. In addition, these measurements were used to generate a quality assured database consisting of really detailed experimental data for the verification and validation of the suggested numerical methodology, through rigorous comparisons between numerical results and experimental data. Having validated the proposed numerical methodology, it was then applied for a series or real life applications, including an extensive field trial in the Sir John Cass Primary School in Central London as a follow up activity of the PICADA project. The main aim of this activity was to assess whether it would be possible to reduce the exposure of children which are classified as the most vulnerable part of the population to air pollution. The findings of this trial further proved the de-pollution potential of the photoctalytic materials as well as the validity of the methodology which was developed within the frame of this thesis.

Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας αναπτύσσεται, πιστοποιείται και εφαρμόζεται μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία για την αποτίμηση της αποδοτικότητας καινοτόμων φωτοκαταλυτικών δομικών υλικών επικαλύψεων ως ενός βιώσιμου εναλλακτικού τεχνικού μέτρου για την ανάσχεση των αρνητικών επιπτώσεων της αέριας ρύπανσης στην υγεία του πληθυσμού και την αισθητική αναβάθμιση του κτιριακού τομέα στις αστικές περιοχές, με έμφαση σε ιδιαίτερα βεβαρυμμένες περιοχές. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιείται επισκόπηση των διαθέσιμων υπολογιστικών εργαλείων για την επιλογή της καταλληλότερης αριθμητικής προσέγγισης λαμβάνοντας υπόψη την ανάγκη για υψηλή διακριτοποίηση των αστικών δομών σε σχέση με το απαιτούμενο υπολογιστικό κόστος και υιοθετείται η προσέγγιση RANS - URANS της κλασικής υπολογιστικής ρευστομηχανικής ως η καταλληλότερη. Η προτεινόμενη μεθοδολογία, που βασίζεται στην ως άνω προσέγγιση, συνυπολογίζει με ακρίβεια τις επιδράσεις όλων των βασικών περιβαλλοντικών παραμέτρων όπως η υγρασία, η θερμοκρασία, η αρχική συγκέντρωση, η παρουσία άλλων ρύπων και η παρουσία οξυγόνου στην απόδοση των υπό μελέτη υλικών σε εφαρμογές πραγματικής κλίμακας σε αστικές περιοχές. Η μεθοδολογία επιστρατεύει τη λογική του μετα-μοντέλου για την εξαγωγή αποτελεσμάτων σχετικά με την σε βάθος χρόνου αναμενόμενη απομείωση επιλεγμένων αέριων ρύπων στην περιοχή ενδιαφέροντος. Βασικά στοιχεία της ολιστικής θεώρησης που υιοθετείται για την αποτίμηση της απόδοσης των υπό μελέτη υλικών και την πιστοποίηση της προτεινόμενης αριθμητικής μεθοδολογίας αποτελούν κατάλληλα προγράμματα επιτόπιων μετρήσεων και φυσικών προσομοιώσεων. Μέσω των επιτόπιων μετρήσεων καταδεικνύεται ότι τα συγκεκριμένα υλικά διατηρούν τις φωτοκαταλυτικές τους ιδιότητες σε πραγματικές ατμοσφαιρικές συνθήκες. Τα αποτελέσματα δείχνουν επίσης ότι η απόδοση των φωτοκαταλυτικών υλικών παραμένει ανεπηρέαστη από τις επικρατούσες μετεωρολογικές συνθήκες. Με δεδομένη τη χαμηλή διακριτότητα και την αμφισβητήσιμη αντιπροσωπευτικότητα των επιτόπιων μετρήσεων, οι φυσικές προσομοιώσεις είναι αυτές που διαφωτίζουν πλήρως τους μηχανισμούς που καθορίζουν το φυσικό αερισμό και τη διασπορά της αέριας ρύπανσης στην υπό μελέτη διάταξη. Με τις μετρήσεις αυτές δημιουργείται παράλληλα μια ποιοτικά διασφαλισμένη βάση πειραματικών δεδομένων για την επικύρωση και επαλήθευση της προτεινόμενης μεθοδολογίας με τη βοήθεια συγκρίσεων ανάμεσα στις αριθμητικές προσομοιώσεις και τις πειραματικές μετρήσεις, επιτόπιες και στην αεροσήραγγα. Η προτεινόμενη μεθοδολογία αξιοποιείται σε σειρά πρακτικών εφαρμογών. Σε αυτές περιλαμβάνεται το διάδοχο του PICADA πρόγραμμα επιτόπιων μετρήσεων για την εφαρμογή φωτοκαταλυτικών υλικών τοιχοποιίας στο Sir John Cass Primary School του κεντρικού Λονδίνου. Τα αποτελέσματα του προγράμματος αυτού, που αποσκοπούσε στην προστασία της υγείας του πιο ευάλωτου μέρους του πληθυσμού από τις επιπτώσεις της αέριας ρύπανσης, αποδεικνύουν ότι η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε στην παρούσα διατριβή οδηγεί σε πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα.