بروتوكول مراقبة بيئي بسيط وفعال لقياس درجة الحرارة والرطوبة وسرعة الرياح وتغيرات ثاني أكسيد الكربون عبر الأسطح الحضرية مع اختلاف التعرض لأشعة الشمس يتأثر بتأثير جزيرة الحرارة الحضرية.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
بروتوكول مراقبة بيئي بسيط وفعال لقياس درجة الحرارة والرطوبة وسرعة الرياح وتغيرات ثاني أكسيد الكربون عبر الأسطح الحضرية مع اختلاف التعرض لأشعة الشمس يتأثر بتأثير جزيرة الحرارة الحضرية.
أدى التحضر والتغير السريع في استخدام الأراضي إلى حدة تأثير جزر الحرارة الحضرية (UHIE)، مما أدى إلى ارتفاع درجات الحرارة المحيطة، وتغير الرطوبة، وزيادة تراكم ثاني أكسيد الكربون (CO 2) في البيئات الحضرية الكثيفة. هذه التغيرات المناخية الدقيقة لا تؤثر فقط على الراحة الحرارية، بل تؤثر أيضا على جودة الهواء الخارجي، وبالتالي على ديناميكيات التهوية الداخلية. توفر أساليب المراقبة الحالية، مثل الاستشعار عن بعد عبر الأقمار الصناعية ومحطات جودة الهواء على مستوى المدينة، رؤى قيمة لكنها تفتقر إلى الدقة المكانية على مستوى الواجهة اللازمة لتوجيه التدخلات على مستوى المباني.
تقدم هذه الدراسة بروتوكولا قابلا للتكرار ومنخفض التكلفة لمراقبة ثاني أكسيد الكربونودرجة الحرارة والرطوبة الخاصة بالواجهة باستخدام حساسات تعتمد على الأشعة تحت الحمراء غير التشتتية (NDIR) مدمجة مع أجهزة تسجيل بيانات الميكروكنترولر. يتم نشر وحدات الاستشعار على مناطق حرارية متباينة - واجهات معرضة للشمس ومظللة - لالتقاط التغيرات النهارية على مدار دورة 24 ساعة. تضمن المعايرةمع تركيزات ثاني أكسيد الكربون 2 الأساسية الخارجية دقة القياس وقابلية المقارنة بين الحساسات. تم التحقق من صحة الطريقة عبر أربع مدن هندية بأشكال حضرية مميزة. كشفت النتائجباستمرار عن تركيزات أعلى من ثاني أكسيد الكربون في المناطق الكثيفة البناء مقارنة بالواجهات الخضراء المجاورة، مع فروق تتراوح بين 19 جزء في المليون (بوني، الهند) إلى 78 جزء في المليون (تشيناي، الهند). ارتبطت هذه التدرجات أيضا بارتفاع موضعي في درجات الحرارة تصل إلى 2 درجة مئوية وانخفاض الرطوبة النسبية، مما يؤكد دور UHIE في تفاقم احتباس الملوثات.
يقدم البروتوكول المقترح نهجا قابلا للتوسع وصديقا للميدان لتقييم المناخ الدقيق الحضري، وتحسين أنظمة التكييف والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، وأبحاث الصحة البيئية. بعيدا عن ثاني أكسيد الكربون2، يمكن توسيع المنهجية لالتقاط معايير جودة هواء إضافية مثل PM₅.₅، PM₁₀، والمركبات العضوية المتطايرة، مما يمكن من تقييم شامل لجودة الهواء في المدن. من خلال توفير رؤى على مستوى الواجهة وفي الوقت الحقيقي، يدعم هذا الإطار المراقبي اتخاذ قرارات مبنية مبنية مستدامة، وأنظمة تهوية ذكية، وتخطيط حضري مقاوم للمناخ على المدى الطويل.
تأثير جزيرة الحرارة الحضرية (UHIE) هو ظاهرة مناخية مستمرة تشهد فيها المناطق الحضرية درجات حرارة مرتفعة مقارنة بمحيطها الريف، ويرجع ذلك أساسا إلى انبعاثات الحرارة البشرية، وكثافة المواد السطحية، وانخفاض غطاء النباتات 1,2,3. تغير درجات الحرارة الحضرية المرتفعة المناخات الدقيقة المحلية، مما يؤثر على تدفق الرياح والرطوبة واحتفاظ بثاني أكسيد الكربون2 1,4 في الغلاف الجوي. في البيئات المبنية بكثافة، يقلل الطبقات الحرارية من اختلاط الهواء الطبيعي، مما يزيد من تراكم ثاني أكسيد الكربون على مستوى المشاة، مما يؤثر بدوره على جودة الهواء والصحة العامة 5,6.
يؤثر الشكل الحضري بشكل كبير على السلوك المناخي الدقيقوديناميكيات ثاني أكسيد الكربون، خاصة على مقاييس المباني والأحياء2. تؤدي التغيرات في التعرض للشمس بين الواجهات المظللة والمعرضة للشمس إلى تدرجات يمكن قياسها في درجة الحرارة والرطوبة وتركيز الملوثات. بينما تلتقط الأساليب عبر الأقمار الصناعية والاستشعار عن بعد أنماط UHIE واسعة النطاق بفعالية، فإن المراقبة في الموقع على مستوى الواجهة أو المبنى تبقى محدودة 5,6.
هذا الدقة الدقيقة تصبح أكثر أهمية مع تضخم تغير المناخ من شدة UHIE. تحتاج المدن إلى طرق فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتوسع لمراقبة وتخفيف مخاطر جودة الهواءوالحرارة 4,7,8. لسد هذه الفجوة، تقدم الدراسة الحالية بروتوكولا قائما على أجهزة الاستشعار لمراقبةتقلبات ثاني أكسيد الكربون المكاني والزماني في البيئات الحضرية الدقيقة. تمنشر حساسات وأجهزة استشعار ثاني أكسيد الكربون منخفضة التكلفة من نوع NDIR CO2 وأجهزة قياس حرارة للرطوبة عبر واجهات معرضة للشمس ومظللة لتقييم تأثير التعرض الحراري وتدفق الهواءعلى احتفاظ ثاني أكسيد الكربون 2. تم جمع البيانات من المناطق المبنية عالية الكثافة والمناطق ذات الظلال الخضراء، مما أتاح تقييم تأثيرات استخدام الأراضي على أنماط الانبعاثات.
من خلال التركيز على المناخات الدقيقة على مستوى الواجهة، يحدد هذا النهج التدرجات البيئية الحرجة التي تؤثر على كيمياء الهواء تحت ظروف البناء الواقعية 1,2,5. تتناسب النتائج في مجالات متعددة، بما في ذلك المناخ الحضري، ونمذجة جودة الهواء، والعمارة المستدامة، وتصميم أنظمة التكييف والتكييف. على وجه التحديد، يمكن لتحديد واجهات غنية بثاني أكسيد الكربون، وبنقاط انبعاثات المركبات، والمناطق سيئة التهوية أن يساعد في وضع مداخل الهواء، وتوجيه استراتيجيات التهوية السلبية، ودعم التصميم الحضري التفاعلي مع المناخ 4,7. مع اعتماد استراتيجيات التخفيف مثل الأسطح الخضراء، والطلاءات العاكسة، والواجهات النباتية، والمواد ذات المؤشر العالي للرنين الصناعي، توفر المراقبة الدقيقة على مستوى الواجهة أدلة كمية للتحقق من الأداء وتوجيه التدخلات طويلة الأمد المرنة للمناخ 3,8.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
1. معايرة وإعداد المستشعر

الشكل 1: غلاف وحدة الاستشعار التي تعمل بالتيار المتردد. وحدة مستشعرات تعمل بالتيار المتردد بجهد 230 فولت تحتوي على حساسات ثاني أكسيد الكربون، ودرجة الحرارة والرطوبة، تستخدم لمراقبة المناخ الدقيق المستمر. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 2: إعداد معايرة الحساس. وحدة مستشعرات تعمل بالتيار المتردد بجهد 230 فولت مهيأة للمعايرة لضمان اتساق القياس عبر جميع الحساسات المنشورة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
2. اختيار المواقع ونشر وحدات الاستشعار

الشكل 3: حاوية حساسات منشورة في الميدان. تم تركيب هيكل حساس محمي من المطر على واجهة مبنى في تشيناي لجمع بيانات ثاني أكسيد الكربون، ودرجة الحرارة، والرطوبة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
3. جمع البيانات
4. استرجاع البيانات وتصورها

الشكل 4: واجهة لوحة التحكم للمراقبة. لقطة للوحة التحكم السحابية تعرض صور بيانات المستشعرات في الوقت الحقيقي والتاريخي. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
5. مراقبة الجودة
6. اختياري: نشر موسمي أو متعدد المواقع
7. استكشاف الأخطاء
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
تكشف البيانات المسجلة عن نمط متسق عبر المدن: تركيزات ثاني أكسيد الكربون الخارجية أعلى بكثير في المناطق ذات الكثافة العالية مقارنة بالمناطق الخضراء المجاورة.
في تشيناي (الشكل 9)، لوحظ فرق قدره 78 جزء في المليون بين الواجهة الشرقية التي تهيمن عليها الخرسانة (490 جزء في المليون) والواجهة الشمالية الخضراء المظللة (412 جزء في المليون). وقد زاد هذا التباين بوجود وحدات مكثفات HVAC خارجية على الواجهة الشرقية، والتي أطلقت الحرارة المهدرة إ...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
خطوة حاسمة في هذا البروتوكول هي معايرة ومزامنة مستشعرات ثاني أكسيد الكربون، ودرجة الحرارة، والرطوبة على الأساس على الخط الأول. تعد المعايرة الدقيقة في البيئات المظللة والمفتوحة ضرورية لضمان اتساق الحساسات وتقليل الانحرافات أثناء النشر1. يمكن أن يؤدي التوزيع غير الصحيح أو التعرض غير المتساو للشمس إلى حدوث تدرجات خاطئة؛ لذلك، فإن الحفاظ على ارتفاع تثبيت بين 1-2 متر وضمان مسافة كافية من مصادر الحرارة المحلية مثل وحدات مكثفات التكييف هو اعتبارات مهمة...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المؤلفون ليس لديهم ما يكشفون عنه.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| بيئة تطوير أردوينو | أردوينو | v2.x | لبرمجة وتصحيح لوحات ESP32/Arduino |
| حساس CO2 مستشعر، NDIR (الأشعة تحت الحمراء غير التشتتية) | سينسيريون | SCD40 / SCD41 | يستخدم لمراقبة CO2 المحيطة في الوقت الحقيقي |
| متحكم دقيق لتسجيل البيانات (ESP32) | إسبريسيف | ESP32 DevKitC | لتسجيل بيانات المستشعرات؛ يدعم الواي فاي وبطاقة SD |
| حساس الرطوبة ودرجة الحرارة | سينسيريون | SHT21 | لقياس درجة الحرارة المحيطة والرطوبة النسبية |
| بطاقة MicroSD (32 جيجابايت أو أكثر) | سانديسك / كينغستون | مختلف | يخزن بيانات ثاني أكسيد الكربون<تحت >2 ودرجة الحرارة والرطوبة في السلاسل الزمنية |
| وحدة بطاقة MicroSD | مورد عام | لا يوجد | الواجهة بين ESP32 وبطاقة SD لتسجيل البيانات |
| محول الطاقة (من التيار المتردد إلى 5 فولت تيار مستمر) | مورد عام | لا يوجد | يحول تيار 230 فولت تيار متردد إلى طاقة مستقرة 5 فولت تيار مستمر |
| بيئة برمجيات بايثون | Python.org | الإصدار 3.10 (بانداس 1.5، ماتبلوتليب 3.7) | لتحليل البيانات المتقدمة، والتصور، والأتمتة |
| غلاف حساس مقاوم للأمطار | البولي بروبيلين/طباعة ثلاثية الأبعاد | لا يوجد | غلاف مثقب لحماية الإلكترونيات من المطر والغبار |
| الحبل أو حزام التثبيت | عام | لا يوجد | يستخدم لنظام FAç الآمن؛ تركيب الدفاع المهبط عند الارتفاع المطلوب |
| قارئ/كاتب بطاقة SD | أي واجهة USB | لا يوجد | لنقل البيانات من بطاقة SD إلى الكمبيوتر |
| إكسل | مايكروسوفت | لا يوجد | لبيانات السلاسل الزمنية بعد المعالجة |
| التفاضل والتكامل | ليبر أوفيس | لا يوجد | برنامج جداول البيانات، لمعالجة بيانات السلاسل الزمنية بعد المعالجة |
| كابل USB (Micro/Type-C) | عام | لا يوجد | يستخدم لبرمجة وتشغيل وحدة ESP32 |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.