立面级二氧化碳监测2 利用低成本传感器数据记录仪研究城市热岛条件下的变异性

摘要

一种简单有效的环境监测方案，用于测量受城市热岛效应影响、日照条件不同的城市地表的温度、湿度、风速和二氧化碳变化。

摘要

城市化和快速的土地利用变化加剧了城市热岛效应（UHIE），导致城市密集区环境温度升高、湿度改变以及二氧化碳（CO₂）积累增加。这些微气候变化不仅影响热舒适性，还影响室外空气质量，进而改变室内通风动态。目前的监测方法，如卫星遥感和城市尺度空气质量监测站，虽能提供有价值的见解，但缺乏为建筑层级干预措施提供依据所需的立面级空间分辨率。

本研究提出了一种可重复、低成本的方案，用于通过集成微控制器数据记录仪的非分散红外（NDIR）传感器，针对建筑立面特定区域监测二氧化碳（CO₂）、温度和湿度。传感器模块部署在热环境不同的区域——阳光直射立面和遮阴立面，以捕捉24小时周期内的昼夜变化。通过与室外基准CO₂ 浓度进行校准，确保各传感器测量结果的准确性和可比性。该方法在印度四个具有不同城市形态的城市中进行了验证。结果一致显示，与相邻的绿化立面相比，建筑密集区域的CO₂ 浓度更高，差异范围从19 ppm（印度浦那）到78 ppm（印度金奈）。这些浓度梯度还伴随着局部温度升高达2 °C以及相对湿度降低，证实了城市热岛效应（UHIE）在加剧污染物滞留方面的作用。

本方案提出了一种可扩展且适用于野外的城区微气候评估方法，可用于暖通空调系统优化及环境健康研究。该方法除二氧化碳（CO₂）外，还可扩展用于获取细颗粒物（PM₂.₅）、可吸入颗粒物（PM₁₀）和挥发性有机化合物（VOCs）等其他空气质量参数，从而实现对城市空气质量的全面评估。通过提供 façade 级别的实时监测数据，该监测框架可为可持续建筑设计、智能通风系统以及长期气候适应型城市规划中的数据驱动决策提供支持。

引言

城市热岛效应（UHIE）是一种持续存在的气候现象，指城市区域的温度高于其周边农村地区，主要原因是人为热排放、密集的地表材料以及植被覆盖减少^1,2,3。升高的城市温度会改变局部微气候，影响风流、湿度以及大气中CO₂的滞留^1,4。在建筑密集的环境中，热分层会削弱自然空气混合，从而加剧行人高度处CO₂的积聚，进而影响空气质量和公共健康^5,6。

城市形态对微气候行为和CO₂ 动态具有显著影响，尤其在建筑和街区尺度上²。遮阴面与向阳立面之间太阳辐射的差异，会导致温度、湿度和污染物浓度出现可测量的梯度变化。尽管卫星和遥感技术能够有效捕捉大范围的城市热岛效应（UHIE）模式，但在立面或建筑尺度上开展的原位监测仍较为有限^5,6。

方案

1. 传感器校准与设置

图1：交流电源传感器模块外壳。 一种由230 V交流电供电的传感器单元，内置CO₂、温度和湿度传感器，用于连续微环境气候监测。请点击此处查看此图的放大版本。

1. 准备传感器模块。
   1. 组装传感器模块（图1使用非分散红外（NDIR）CO₂传感器和温湿度组合探头。
   2. 配置基于微控制器的数据记录仪，配备实时时钟模块和安全数字（SD）卡扩展板。
   3. 将记录频率设置为每10分钟一次读数。
   ....

结果

记录的数据揭示了一种一致的跨城市模式：与相邻的绿化区域相比，高度混凝土化的区域外部CO₂浓度显著更高。

在 Chennai（图9）观测到，以混凝土为主的东立面（490 ppm）与有遮荫绿化的北立面（412 ppm）之间的二氧化碳浓度相差 78 ppm。东立面上设有室外 HVAC 冷凝装置，向建筑间狭窄空间排放废热，进一步加剧了这一差异。由此产生的局部热羽流提高了传感器附近的环境温度，并引发浮力驱动的空气再循环，从而滞留了来自机动车及周边人为源的高浓度 CO₂ 空气。

在包含暖通空调冷凝装置的建筑立面上，观察到在交通高峰期过后长达2小时的CO₂稀释延迟现象，这与CFD研究中记录的浮力驱动再循环区域一致^9,10。这些结果进一步证实了人为热排放与紧凑型城市峡谷中污染物滞留之间的相关性。该效应一直持续至午后风速增加，.......

讨论

本方案中的一个关键步骤是 CO₂、温度和湿度传感器的基线校准与同步。在遮荫的开放环境中进行准确校准，对于确保传感器间的一致性以及在部署期间最大限度减少漂移至关重要¹。不正确的安装位置或受阳光照射不均可能引入虚假梯度；因此，保持 1–2 m 的安装高度，并确保与 HVAC 冷凝机组等局部热源保持足够距离，是重要的考虑因素⁵。在部署前后同步记录仪的时间戳，可防止在昼夜变化趋势分析中出现时间错位误差。

该方法可针对不同的城市形态进行调整和扩展。例如，可穿戴传感技术已被应用于高密度环境以绘制微气候图谱⁴，但基于建筑立面的监测则提供了一种稳定且可重复的替代方案，适用于建筑层级的暖通空调系统集成。遥感与卫星观测可提供城市热岛效应的大尺度视角²，但缺乏建筑立面层级的分辨率，而安装在屋顶的传感器通常无法准确反映行人高度的空气质量。与这些方法相比，建筑立面监测方案在成本效益、空间精度和集成潜力之间实现了最佳平衡.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Arduino IDE	Arduino	v2.x	用于 ESP32/Arduino 开发板的编程与调试
CO2 传感器，NDIR（非分散红外）	Sensirion	SCD40 / SCD41	用于实时环境 CO2 监测
数据记录微控制器（ESP32）	Espressif	ESP32 DevKitC	用于记录传感器数据；支持 Wi-Fi 和 SD 卡
湿度和温度传感器	Sensirion	SHT21	用于环境温度和相对湿度的测量
MicroSD 卡（32 GB 或更高）	SanDisk / Kingston	各种	储存时间序列 CO2温度和湿度数据
MicroSD 卡模块	通用供应商	N/A	ESP32 与 SD 卡的数据记录接口
电源适配器（交流转5V直流）	通用供应商	N/A	将230 V交流电转换为稳定的5 V直流电源
Python 软件环境	Python.org	v3.10（pandas 1.5，matplotlib 3.7）	用于高级数据分析、可视化和自动化
防雨传感器外壳	聚丙烯/3D打印	N/A	带穿孔的外壳，用于保护电子设备免受雨水和灰尘侵入
绳索或固定背带	通用型	N/A	用于安全固定ç在所需高度进行载物台固定
SD卡读卡器/写卡器	任何USB接口	N/A	用于将数据从SD卡传输至计算机
Excel	微软	N/A	用于时间序列数据的后处理
钙	LibreOffice	N/A	电子表格软件，用于时间序列数据的后期处理
USB线缆（Micro/Type-C）	通用	N/A	用于对 ESP32 模块进行编程和供电