Date of Award

5-2022

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy (PhD)

Department

Architectural Engineering

First Advisor

Kheira Anissa Tabet Aoul

Abstract

Smart buildings using 5G and Internet of Things (IoT) acknowledge themselves as one of the undeniable byproducts occasioned from the fifth Industrial Revolution and are seen as the best solution adopted by the built environment. Smart buildings are publicized to carry a spectrum of benefits for building occupants ranging from actively saving electricity, ensuring operational efficiency to facilitating health support, wellness and productivity. Conversely, the negative aspects associated with smart buildings are often marginalized, and the limited research produced so far makes them seemingly non-existent. Literature review informs us that a smart building being subjected to external and artificial radiation may cause unintended damage on the health of the occupants. Hence, this pragmatic research aims to first, evaluate the Electro Magnetic Radiation (EMR) from a smart indoor environment, then assess EM absorption on human phantom models using simulation and factorial analysis. The study is divided into two phases, where the output of the first becomes the input of the second. The first phase quantifies how building (material) and IoT (number and frequencies -6, 10, and 28 GHz) factors influence and cause EMR variation inside a smart indoor environment. The second phase of this research study seeks to find out how EM is distributed on the human head models when exposed to EMR from smart building (operating at 5G) based on human factors, namely, age, weight, and gender. This research used extensive simulation models using IoT devices primarily Computer Simulation Technology (CST), alongside with Sweet Home 3D modelling, Cisco Packet Tracer, Antenna Magus and JASP statistical software. Prior to the main simulation design and testing, preliminary analysis was conducted on a 2^k factorial model to choose the necessary factors for the main study. Both preliminary and main study analysis were analyzed prescriptively and statistically. The study conducted in the first phase found out that though all factors play a role in the glut of EMR, the most important one was the frequency of operation of wireless devices, followed by the number of wireless devices and the type of building materials. The maximum electric field at the highest frequency, 28 GHz, demonstrated a 4-fold increase when compared to the lowest frequency of6 GHz. The contribution of the number of wireless devices to EMR was further related to the distance between the device and the occupant, and a direct correlation was observed between EMR and the number of devices. A percentage increase of 37.38% to 78.33% was noted when the number of wireless devices was increased from 1 to 3 for 6 GHz and 28 GHz, respectively. Glass recorded maximum EMF inside the simulation space, but backscattering made the dissipation rate faster for glass than concrete, almost 2-3 V/m lower values at all measured planes. The second phase study established that the younger the age, the lesser occupants are prone to the external EMF regardless of gender. Male phantom models absorbed, on average, 5-7 V/m less radiation at 28 GHz frequency than female models of the same weight category. Moreover, overweight phantom models absorbed more radiation than normal-weight models, the difference being noted more at higher frequencies, almost 30.5% more. Such quantification can help building designers to understand how EMR distribution is likely to occur in a smart building and guide them to take either preventive or corrective measures.

Arabic Abstract


تقييم انتشار الإشعاع الكهرومغناطيسي في بيئة داخلية ذكية والامتصاص اللاحق على رأس الإنسان عن طريق المحاكاة والتحليل المصنع

تقر المباني الذكية التي تستخدم شبكات الجيل الخامس وإنترنت الأشياء (IoT)‏ بأنها أحد المنتجات الثانوية التي لا يمكن إنكارها والتي حدثت منذ الثورة الصناعية الخامسة، وينظر إليها على أنها الحل الأفضل الذي يعتمده مجال البيئة المبنية. يتم الإعلان عن المباني الذكية لتحمل مجموعة من الفوائد لشاغلي المبنى بدءاً من التوفير الفعال للكهرباء، وضمان الكفاءة التشغيلية، وتسهيل الدعم الصحي والعافية والإنتاجية. وعلى العكس من ذلك، غالباً ما يتم تهميش الجوانب السلبية المرتبطة بالمباني الذكية، كما وأن البحث المحدود الذي تم إنتاجه حتى الآن يجعلها تبدو غير موجودة. تركز هذه الدراسة على الإشعاع الكهرومغناطيسي الناتج من مصادر لاسلكية، حيث تشير مراجعة الأدبيات إلى أن تعرض المبنى الذكي للإشعاع الخارجي والاصطناعي قد يتسبب في أضرار غير مقصودة على صحة شاغليه. وانطلاقاً من ذلك، يهدف هذا البحث العملي أولاً إلى تقييم EMR‏ من بيئة داخلية ذكية، ثم تقييم امتصاص EM على النماذج الوهمية البشرية باستخدام المحاكاة والتحليل للعوامل. وتنقسم الدراسة إلى مرحلتين، حيث أن ناتج الأول هو مدخلات المرحلة الثانية. تحدد المرحلة الأولى كيفية تأثير البناء وإنترنت الأشياء والعوامل البشرية وتسببها في تباين السجلات الطبية الإلكترونية داخل بيئة داخلية ذكية، وتسعى المرحلة الثانية من هذه الدراسة البحثية إلى معرفة كيفية توزيع ‎EM‏ على نماذج الدماغ البشري عند التعرض ل ‎EMR ‏ من البناء الذكي (الذي يعمل في G5) بناءً على العوامل البشرية، العمر والوزن والجنس. جميع العوامل بمستوياتها ثابتة من نتانج الدراسة الأولية التي أجريت قبل الدراسة الرئيسية متعددة المراحل. استخدم هذا البحث نماذج محاكاة واسعة النطاق باستخدام أجهزة إنترنت الأشياء بشكل أساسي وتقنية محاكاة الكمبيوتر (CST). إلى جانب استخدام النمذجة الرائعة ثلاثية الأبعاد، وتتبع حزم سيسكو، والبرمجيات الإحصائية Antenna Magus JASP . قبل تصميم واختبار المحاكاة الرئيسية، تم إجراء تحليل أولي على نموذج عاملي k ^ 2‏ لاختيار العوامل الضرورية للدراسة الرئيسية. تم تحليل كل من تحليل الدراسة الأولية والرئيسية وصفياً وإحصائياً. توصلت الدراسة التي أجريت في المرحلة الأولى إلى أنه على الرغم من أن جميع العوامل تلعب دوراً في وفرة الإشعاع الكهرومغناطيسي، فإن العامل الأكثر أهمية هو تكرار تشغيل الأجهزة اللاسلكية، يليه عدد الأجهزة اللاسلكية ومواد البناء. أظهر المجال الكهربائي الأقصى عند أعلى تردد، 28 جيجاهرتز، زيادة بمقدار 4 أضعاف مقارنة بأقل تردد، وهو 6 جيجاهرتز. كانت مساهمة عدد الأجهزة اللاسلكية في الإشعاع الكهرومغناطيسي مرتبطة أيضاً بالمسافة بين الجهاز والراكب، ولوحظ وجود ارتباط مباشر بين الإشعاع الكهرومغناطيسي وعدد الأجهزة. لوحظ زيادة بنسبة 37.38% إلى 78.33% عند زيادة عدد الأجهزة اللاسلكية من ‎1‏ إلى 3 لـ 6 جيجاهرتز و 28 جيجاهرتز على التوالي. سجل الزجاج الحد الأقصى من ‎EMF‏ داخل مساحة المحاكاة، ولكن التبديد الخلفي جعل معدل التبديد للزجاج أسرع من الخرسانة، وقيم أقل بمقدار 3-2 فولت / م في جميع المستويات المقاسة. أثبتت دراسة المرحلة الثانية أنه كلما كان العمر أصغر سناً، قل تعرضهم للقوة الكهرومغناطيسية الخارجية بغض النظر عن الجنس. استوعبت النماذج الوهمية للذكور، في المتوسط إشعاعاً أقل بمقدار 7-5 فولت / م عند تردد 28 جيجاهرتز مقارنة بالنماذج الأنثوية من نفس فئة الوزن. علاوة على ذلك، امتصت النماذج الوهمية ذات الوزن الزائد إشعاعاً أكثر من النماذج ذات الوزن الطبيعي، ويلاحظ الفرق أكثر في الترددات الأعلى، حوالي 30.5% أكثر. يمكن أن يساعد هذا التقدير الكمي مصممي المباني على فهم كيفية حدوث توزيع السجلات الطبية الإلكترونية في مبنى ذكي وتوجيههم لاتخاذ تدابير وقائية أو تصحيحية.

Download

Share

COinS