Un protocolo sencillo y eficaz de monitorización ambiental para medir las variaciones de temperatura, humedad, velocidad del viento y dióxido de carbono en superficies urbanas con diferentes exposiciones a la luz solar influenciadas por el efecto isla de calor urbana.
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Artículo de método
Monitorización a nivel de fachada de la variabilidad del CO2 en condiciones de isla de calor urbana utilizando registradores de datos de sensores de bajo coste
En este artículo
Resumen
Resumen
La urbanización y el rápido cambio en el uso del suelo han intensificado el efecto isla de calor urbana (UHIE), lo que ha provocado temperaturas ambientales elevadas, humedad alterada y una mayor acumulación de dióxido de carbono (CO2) en entornos urbanos densos. Estos cambios microclimáticos no solo influyen en el confort térmico, sino que también afectan a la calidad del aire exterior y, en consecuencia, a la dinámica de la ventilación interior. Los enfoques actuales de monitorización, como la teledetección satelital y las estaciones de calidad del aire a escala ciudadana, ofrecen información valiosa pero carecen de la resolución espacial a nivel de fachada necesaria para informar las intervenciones a nivel de edificio.
Este estudio presenta un protocolo reproducible y de bajo coste para la monitorización específica de la fachada de CO2, temperatura y humedad utilizando sensores basados en infrarrojos no dispersivos (NDIR) integrados con registradores de datos microcontroladores. Los módulos sensor se despliegan en zonas térmicas contrastantes —frente a la exposición al sol y fachadas sombreadas— para captar variaciones diurnas a lo largo de un ciclo de 24 horas. La calibración con concentraciones base deCO2 al aire libre garantiza la precisión y la comparabilidad de las mediciones entre sensores. El método fue validado en cuatro ciudades indias con formas urbanas distintas. Los resultados revelaron consistentemente concentraciones más altas deCO2 en zonas densamente construidas en comparación con las fachadas verdes adyacentes, con diferencias que oscilan entre 19 ppm (Pune, India) y 78 ppm (Chennai, India). Estos gradientes se asociaron además con aumentos localizados de temperatura de hasta 2 °C y una reducción de la humedad relativa, confirmando el papel de la UHIE en la exacerbación de la retención de contaminantes.
El protocolo propuesto ofrece un enfoque escalable y amigable para el campo para la evaluación del microclima urbano, la optimización de HVAC y la investigación en salud ambiental. Más allá delCO2, la metodología puede ampliarse para capturar parámetros adicionales de calidad del aire como PM₂.₅, PM₁₀ y COV, permitiendo una evaluación exhaustiva de la calidad del aire urbano. Al proporcionar información a nivel de fachada y en tiempo real, este marco de monitorización apoya la toma de decisiones basada en datos para el diseño sostenible de edificios, sistemas inteligentes de ventilación y una planificación urbana resiliente al clima a largo plazo.
Introducción
El efecto isla de calor urbana (UHIE) es un fenómeno climático persistente en el que las regiones urbanas experimentan temperaturas elevadas en comparación con su entorno rural, principalmente debido a emisiones de calor antropogénicas, materiales superficiales densos y una cobertura vegetal disminuida 1,2,3. Las temperaturas urbanas elevadas alteran microclimas localizados, influyendo en el flujo del viento, la humedad y la retención delCO2 1,4 atmosférico. En entornos densamente construidos, la estratificación térmica reduce la mezcla natural del aire, intensificando así la acumulación de CO₂ a nivel peatonal, lo que a su vez afecta tanto a la calidad del aire como a la saludpública 5,6.
La morfología urbana influye fuertemente en el comportamiento microclimático y en la dinámica del CO2, especialmente a escala de edificios ybarrios 2. Las variaciones en la exposición solar entre fachadas sombreadas y expuestas al sol generan gradientes medibles en temperatura, humedad y concentración de contaminantes. Aunque los enfoques satelitales y de teledetección capturan eficazmente patrones UHIE a gran escala, la monitorización in situ a escala de fachada o edificio sigue siendolimitada en 5,6.
Esta resolución detallada es cada vez más crítica a medida que el cambio climático amplifica la intensidad de la UHIE. Las ciudades requieren métodos rentables y escalables para monitorizar y mitigar los riesgos térmicos y de calidaddel aire 4,7,8. Para abordar esta brecha, el presente estudio introduce un protocolo basado en sensores para el monitoreo espacial y temporal de las fluctuaciones del CO2 en microambientes urbanos. Se desplegaronsensores NDIR CO 2 y termohigrómetros de bajo coste en fachadas expuestas al sol y sombreadas para evaluar la influencia de la exposición térmica y el flujo de aire en la retención deCO2. Se recogieron datos tanto de zonas urbanas de alta densidad como de zonas con sombra verde, lo que permitió evaluar los impactos del uso del suelo en los patrones de emisiones.
Al centrarse en microclimas a nivel de fachada, este enfoque identifica gradientes ambientales críticos que influyen en la química del aire bajo condiciones realesde construcción 1,2,5. Los hallazgos son relevantes para múltiples ámbitos, incluyendo la climatología urbana, la modelización de la calidad del aire, la arquitectura sostenible y el diseño de HVAC. Específicamente, identificar fachadas ricas enCO2, puntos críticos de emisiones vehiculares y zonas mal ventiladas puede informar la colocación de las tomas de aire, guiar estrategias de ventilación pasiva y apoyar un diseño urbano sensible al clima 4,7. Con la adopción de estrategias de mitigación como cubiertas verdes, recubrimientos reflectantes, fachadas vegetadas y materiales de alto contenido SRI, la monitorización precisa a nivel de fachada proporciona evidencia cuantitativa para validar el rendimiento e informar intervenciones resilientes al clima alargo plazo 3,8.
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Protocolo
1. Calibración y configuración de sensores
Figura 1: Carcasa del módulo sensor alimentado por corriente alterna. Una unidad sensor alimentada por CA de 230 V que contiene sensores deCO2, temperatura y humedad, utilizada para monitorización microclimática continua. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.
- Prepara módulos sensores.
- Montar el módulo sensor (Figura 1) usando un sensor NDIR CO₂ y una sonda combinada temperatura-humedad.
- Configura el registrador de datos basado en microcontrolador con un módulo de reloj en tiempo real y una pantalla segura para tarjetas digitales (SD).
- Configura la frecuencia de registro a una lectura cada 10 minutos.
- Coloque el conjunto dentro de una carcasa resistente a la intemperie, normalmente una carcasa de polipropileno, y asegúrese de que todo el cableado esté aislado y los conectores firmemente asegurados.
- Prueba la función del sensor y realiza la calibración en aire libre.
- Coloque todos los sensores de CO2 y temperatura-humedad en una zona exterior bien ventilada (Figura 2).
- Conéctate a una fuente de alimentación estable, preferiblemente un adaptador AC a DC de 230 V o un banco de baterías homologado para funcionamiento continuo las 24 horas.
- Permite que los sensores se estabilicen durante 5-10 minutos y registra los niveles de CO₂ de referencia (aproximadamente 410 ppm ± 3%) para verificar la consistencia entre dispositivos (dentro de ±3% o ±10 ppm).
- NOTA: Los sensores de CO₂, temperatura y humedad con registro de datos integrado están disponibles comercialmente y ofrecen una opción rentable para aplicaciones estandarizadas de monitorización ambiental.
Figura 2: Configuración de calibración del sensor. Un módulo sensor alimentado por CA de 230 V configurado para calibración y garantizar la consistencia de la medición entre todos los sensores desplegados. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.
2. Selección de emplazamiento y despliegue de módulos de sensores
- Identifica zonas térmicas contrastantes.
- Seleccione dos o más tipologías urbanas contrastantes dentro de la localidad, normalmente alrededor del edificio o zona de interés: (a) zona edificada de alta densidad, (b) zona verde o sombreada de baja densidad adyacente, (c) fachada orientada a la carretera y (d) fachada con unidades exteriores de rechazo de calor de climatización.
- Instala sensores en múltiples fachadas cuando sea aplicable para captar la variación térmica y contaminante.
- Monta sensores.
- Monta el módulo sensor (Figura 3) usando soportes de acero inoxidable fijados con tornillos de mampostería o cuerdas de arnés ancladas a rejas de ventanas o ganchos de pared.
- Mantener una altura estándar de montaje de 1-2 m sobre el nivel local del suelo para cada fachada del suelo. La altura exacta puede variar entre plantas o edificios dependiendo de la accesibilidad, la infraestructura de apoyo disponible y la geometría de la fachada.
- Registra la orientación direccional (por ejemplo, fachada orientada al este junto a la carretera) y los obstáculos cercanos (por ejemplo, unidades HVAC, paredes).
- Configura la fuente de alimentación y los registros.
- Asegúrate de un suministro eléctrico continuo. Conecta el módulo a un adaptador de 230 V AC a 12 V DC con protección contra sobretensiones, o utiliza un banco de baterías de iones de litio con capacidad para al menos 24 horas de funcionamiento.
- Verifica la salida del sensor observando lecturas en tiempo real en la pantalla o en la interfaz del registrador para confirmar una conexión estable y un registro activo de datos.
PRECAUCIÓN: Manipula equipos de 230 V AC con guantes aislantes y evita el contacto con cables vivos durante la instalación.
Figura 3: Gabinete de sensores desplegados en el campo. Una carcasa sensor protegida contra la lluvia instalada en la fachada de un edificio en Chennai para recopilar datos deCO2, temperatura y humedad. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.
3. Recogida de datos
- Comienza la adquisición de datos.
- Enciende al registrador para comenzar a registrar y capturar el ciclo de medición diurno.
- Permitir que el registrador funcione de forma continua durante 24 horas con un intervalo de registro de datos de 10 minutos para capturar variaciones durante todo el día en la concentración de CO₂, temperatura y humedad.
- Verifica que las marcas de tiempo permanezcan sincronizadas en todos los sensores antes y después del despliegue.
- Registra manualmente los tiempos de inicio y parada en un libro de registro de campo para proporcionar documentación redundante de copias de seguridad.
4. Recuperación y visualización de datos
Figura 4: Interfaz de control de control. Una instantánea del panel de control basado en la nube que muestra visualizaciones en tiempo real e históricas de los sensores. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.
- Recuperar datos.
- Expulsa la tarjeta SD de forma segura e insértala en un lector de tarjetas; copia los archivos de datos CSV a la carpeta designada del proyecto.
- Para los registradores con Wi-Fi, conéctate a través del SSID local y descarga los registros a través del panel de control basado en IP (Figura 4).
- Procesa los datos recuperados usando una hoja de cálculo o un software de análisis de datos para prepararte para la visualización.
- Genera gráficos.
- Generar un gráfico lineal multivariable que muestre la concentración y temperatura de CO2 en el eje primario y y la humedad relativa (HR) en el eje secundario y para permitir la comparación directa de la tendencia.
- Etiqueta el eje x como "Tiempo", el eje y primario como "CO2 (ppm)/Temperatura (°C)" y el eje secundario y como "Humedad relativa (%)".
- Añade una leyenda para distinguir variables y anotar los valores máximos (normalmente entre las 11:00 y las 15:00) para comparar entre sitios.
NOTA: Consulte las Figuras 5, 6, 7 y 8 para gráficos representativos de la concentración de CO₂ en función del tiempo.
5. Control de calidad
- Realiza la validación de datos.
- Identificar y eliminar valores atípicos o puntos de datos marcados debido a irregularidades en la marca de tiempo o errores de comunicación del dispositivo.
- Recalibra si es necesario.
- Si el análisis posterior al experimento indica una deriva del sensor superior al 3% (±10 ppm), repita la calibración inicial descrita en el paso 1.2 y recupere los datos bajo condiciones idénticas.
6. Opcional: despliegue estacional o multisede
- Amplía el campo de estudio.
- Amplía el despliegue instalando sensores en todas las fachadas y en múltiples niveles verticales (por ejemplo, suelo, centro y tejado) para capturar gradientes verticales térmicos y de CO2.
- Realizar monitorización estacional durante los periodos de verano, invierno y monzón para evaluar la variabilidad temporal y diurna delCO2 y la temperatura.
- Realizar un análisis de tendencias estacionales.
- Analizar los resultados entre localidades y estaciones para identificar periodos recurrentes deCO2 elevado y estrés térmico.
- Generar visualizaciones comparativas para evaluar la influencia de la orientación del edificio, el uso del suelo y la composición de la fachada sobre elCO2 y la variación de temperatura.
7. Resolución de problemas
- Interrupción de energía.
- Si se produce un corte de energía durante el despliegue, reconecte el módulo a un adaptador estable de 230 V CA a 5 V CC o utilice un banco de baterías de iones de litio que proporcione al menos 320 Wh de capacidad para garantizar un funcionamiento ininterrumpido las 24 horas.
- Asegúrate de que el banco de baterías esté completamente cargado antes de volver a desplegar para evitar la pérdida de datos.
- Fallo del registrador o datos incompletos.
- Si no se graban datos, verifica la continuidad del cable usando un probador de circuitos y confirma la entrega de potencia con un contador de voltaje.
- Utiliza un multímetro digital para comprobar la salida del terminal del sensor (5 V CC).
- Sustituye las tarjetas SD corruptas o reinicia el microcontrolador, luego repite la calibración básica (paso 1.2) antes de volver a desplegar.
- Conducto dañado o cableado suelto.
- Si el conducto protector está dañado o el cableado expuesto, desconecta la alimentación inmediatamente y sustituye el conducto por tubos de PVC resistentes a los rayos UV que coincidan con el diámetro del cable, con una longitud 1,5 veces la sección expuesta para asegurar cobertura y espacio total en ambos lados.
- Verifica la integridad de la conexión usando un comprobador de continuidad antes de restablecer la energía.
- Deriva del sensor o lecturas inexactas.
- Si los datos se desvían más allá del ±3% (±10 ppm para CO₂), recalibre los sensores utilizando el procedimiento de línea base al aire libre descrito en el paso 1.2.
- Registrar lecturas de referencia estabilizadas para confirmar la precisión antes de reanudar la recogida de datos.
- Pérdida de transmisión inalámbrica de datos.
- Si la transmisión Wi-Fi falla, comprueba la configuración del identificador del conjunto de servicio (SSID) del registrador y el rango del router. Reinicia el microcontrolador y vuelve a introducir las credenciales Wi-Fi.
- Como copia de seguridad, retira la tarjeta SD y recupera manualmente los registros de datos CSV.
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Resultados
Los datos registrados revelan un patrón transversal consistente a la ciudad: las concentraciones externas de CO₂ son significativamente mayores en áreas con alta concretización en comparación con las zonas verdes adyacentes.
En Chennai (Figura 9), se observó una diferencia de 78 ppm entre la fachada este predominantemente de hormigón (490 ppm) y la fachada norte verde sombreada (412 ppm). Este contraste se intensificó por la prese...
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Discusión
Un paso crítico en este protocolo es la calibración y sincronización de base de los sensores de CO₂, temperatura y humedad. La calibración precisa en entornos sombreados y al aire libre es esencial para garantizar la consistencia entre sensores y minimizar la deriva durante eldespliegue 1. Una colocación incorrecta o una exposición solar desigual pueden introducir gradientes falsos; por lo tanto, mantener una altura de montaje de 1-2 m y garantizar una distancia a...
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Divulgaciones
Los autores no tienen nada que revelar.
Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Arduino IDE | Arduino | v2.x | Para programación y depuración de placas ESP32/Arduino |
| Sensor CO2, NDIR (infrarrojo no dispersivo) | Sensirion | SCD40 / SCD41 | Utilizado para monitorización en tiempo real de CO2 ambiente |
| Microcontrolador de registro de datos (ESP32) | Espressif | ESP32 DevKitC | Para registrar datos de sensores; soporta Wi-Fi y tarjeta SD |
| Sensor de humedad y temperatura | Sensirion | SHT21 | Para la medición de temperatura ambiente y humedad relativa |
| Tarjeta MicroSD (32 GB o más) | SanDisk / Kingston | Varios | Almacena datos de series temporales de CO2, temperatura y humedad |
| Módulo de tarjeta MicroSD | Proveedor genérico | N/A | Interfaz entre ESP32 y tarjeta SD para registro de datos |
| Adaptador de corriente (CA a 5V CC) | Proveedor genérico | N/A | Convierte 230 V CA en una alimentación estable de 5 V CC |
| Entorno de software Python | Python.org | v3.10 (pandas 1.5, matplotlib 3.7) | Para análisis avanzado de datos, visualización y automatización |
| Carcasa de sensores impermeables | Polipropileno/Impreso en 3D | N/A | Carcasa perforada para proteger la electrónica de la lluvia y el polvo |
| Cuerda o arnés de montaje | Genérico | N/A | Usado para faç seguro; montaje de ADE a la altura requerida |
| Lector/Escritor de tarjetas SD | Cualquier interfaz USB | N/A | Para transferir datos de la tarjeta SD al PC |
| Excel | Microsoft | N/A | Para datos de series temporales de postprocesado |
| Cálculo | LibreOffice | N/A | Software de hojas de cálculo, para datos de series temporales de posprocesamiento |
| Cable USB (Micro/Tipo-C) | Genérico | N/A | Utilizado para programar y alimentar el módulo ESP32 |
Referencias
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