Un protocole simple et efficace de surveillance environnementale pour mesurer la température, l’humidité, la vitesse du vent et les variations de dioxyde de carbone sur les surfaces urbaines avec différentes expositions à la lumière du soleil influencées par l’effet d’îlot de chaleur urbain.
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Article de méthode
Surveillance au niveau de la façade de la variabilité du CO2 dans des conditions urbaines d’îlots de chaleur à l’aide de registrateurs de données de capteurs à faible coût
Dans cet article
Résumé
Résumé
L’urbanisation et les changements rapides d’utilisation des sols ont intensifié l’effet d’îlot de chaleur urbain (UHIE), entraînant une élévation des températures ambiantes, une humidité modifiée et une accumulation accrue de dioxyde de carbone (CO2) dans les environnements urbains denses. Ces changements microclimatiques influencent non seulement le confort thermique, mais affectent aussi la qualité de l’air extérieur et, par conséquent, la dynamique de la ventilation intérieure. Les approches actuelles de surveillance, telles que la télédétection par satellite et les stations de qualité de l’air à l’échelle de la ville, fournissent des informations précieuses mais manquent de la résolution spatiale au niveau de la façade nécessaire pour orienter les interventions au niveau des bâtiments.
Cette étude présente un protocole reproductible et à faible coût pour la surveillance spécifique de la façade duCO2, de la température et de l’humidité à l’aide de capteurs infrarouges non dispersifs (NDIR) intégrés à des enregistreurs de données microcontrôleurs. Les modules capteurs sont déployés sur des zones thermiques contrastées — façades exposées au soleil et ombragées — pour capturer les variations diurnes sur un cycle de 24 heures. L’étalonnage par rapport aux concentrations de CO2 de base en extérieur garantit la précision et la comparabilité des mesures entre capteurs. La méthode a été validée dans quatre villes indiennes aux formes urbaines distinctes. Les résultats ont constamment révélé des concentrations plus élevées deCO2 dans les zones densément construites comparées aux façades vertes adjacentes, avec des différences allant de 19 ppm (Pune, Inde) à 78 ppm (Chennai, Inde). Ces gradients étaient en outre associés à des montées localisées de température allant jusqu’à 2 °C et à une réduction de l’humidité relative, confirmant le rôle de l’UHIE dans l’aggravation de la rétention des polluants.
Le protocole proposé propose une approche évolutive et adaptée au terrain pour l’évaluation du microclimat urbain, l’optimisation du CVC et la recherche en santé environnementale. Au-delà duCO2, la méthodologie peut être étendue pour capturer des paramètres supplémentaires de qualité de l’air tels que PM₂.₅, PM₁₀ et COV, permettant une évaluation complète de la qualité de l’air urbain. En fournissant des analyses en temps réel au niveau de la façade, ce cadre de surveillance soutient la prise de décision basée sur les données pour la conception durable des bâtiments, des systèmes de ventilation intelligents et une planification urbaine résiliente au climat à long terme.
Introduction
L’effet îlot de chaleur urbain (UHIE) est un phénomène climatique persistant dans lequel les régions urbaines connaissent des températures élevées par rapport à leur environnement rural, principalement en raison des émissions de chaleur anthropique, de la densité de matériaux de surface et d’une diminution de la couverturevégétale 1,2,3. Des températures urbaines élevées modifient les microclimats localisés, influençant le flux du vent, l’humidité et la rétention duCO2 1,4 atmosphérique. Dans les environnements densément bâtis, la stratification thermique réduit le mélange naturel de l’air, intensifiant ainsi l’accumulation de CO₂ au niveau piétonnier, ce qui impacte à la fois la qualité de l’air et la santépublique 5,6.
La morphologie urbaine influence fortement le comportement microclimatique et la dynamique du CO2, en particulier à l’échelle des bâtiments et desvoisinages 2. Les variations d’exposition solaire entre les façades ombragées et exposées au soleil génèrent des gradients mesurables de température, d’humidité et de concentration de polluants. Alors que les approches satellites et de télédétection capturent efficacement des schémas UHIE à grande échelle, la surveillance in situ à l’échelle de la façade ou du bâtiment restelimitée 5,6.
Cette résolution fine devient de plus en plus cruciale à mesure que le changement climatique amplifie l’intensité des UHIE. Les villes ont besoin de méthodes rentables et évolutives pour surveiller et atténuer les risques thermiques et de qualitéde l’air 4,7,8. Pour combler cette lacune, la présente étude introduit un protocole basé sur des capteurs pour la surveillance spatiale et temporelle des fluctuations du CO2 dans les microenvironnements urbains. Des capteurs NDIR CO 2 et des thermo-hygromètres à faible coût ont été déployés sur les façades exposées au soleil et ombragées afin d’évaluer l’influence de l’exposition thermique et du flux d’air sur la rétention duCO2. Les données ont été collectées à la fois dans les zones bâties à forte densité et dans les zones ombragées de verdure, permettant d’évaluer les impacts de l’utilisation des sols sur les schémas d’émissions.
En se concentrant sur les microclimats au niveau des façades, cette approche identifie les gradients environnementaux critiques qui influencent la chimie de l’air dans des conditions de constructionréelles 1,2,5. Les résultats concernent de nombreux domaines, notamment la climatologie urbaine, la modélisation de la qualité de l’air, l’architecture durable et la conception CVC. Plus précisément, identifier les façades riches enCO2, les points chauds d’émissions des véhicules et les zones mal ventilées peut orienter le placement des prises d’air, guider les stratégies de ventilation passive et soutenir une conception urbaine adaptée auclimat 4,7. Avec l’adoption de stratégies d’atténuation telles que les toitures vertes, les revêtements réfléchissants, les façades végétalisées et les matériaux à haute teneur en SRI, une surveillance précise au niveau des façades fournit des preuves quantitatives pour valider la performance et éclairer des interventions durables face auclimat 3,8.
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Protocole
1. Calibration et configuration des capteurs
Figure 1 : Boîtier du module capteur alimenté par courant alternatif. Une unité de capteurs alimentée en courant alternatif de 230 V contenant des capteurs deCO2, de température et d’humidité, utilisée pour la surveillance microclimatique continue. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.
- Préparez les modules capteurs.
- Assemblez le module capteur (Figure 1) à l’aide d’un capteur NDIR CO₂ et d’une sonde combinée température-humidité.
- Configurez le datalogger basé sur microcontrôleur avec un module d’horloge temps réel et une protection sécurisée pour carte numérique (SD).
- Réglez la fréquence de journalisation à une lecture toutes les 10 minutes.
- Placez l’ensemble dans un boîtier résistant aux intempéries, généralement un boîtier en polypropylène, et assurez-vous que tous les câbles sont isolés et que les connecteurs sont bien fixés.
- Testez la fonction du capteur et effectuez l’étalonnage en plein air.
- Placez tous les capteurs de CO2 et température-humidité dans un espace extérieur bien ventilé (Figure 2).
- Connectez-vous à une source d’alimentation stable, de préférence un adaptateur AC-DC 230 V ou une banque de batteries homologuée pour un fonctionnement continu 24 heures.
- Permettre aux capteurs de se stabiliser pendant 5 à 10 minutes, et enregistrer les niveaux de CO₂ de base (environ 410 ppm ± 3 %) pour vérifier la cohérence entre les appareils (avec une limite de ±3 % ou ±10 ppm).
- REMARQUE : Des capteurs de CO₂, de température et d’humidité avec journalisation intégrée des données sont disponibles commercialement et offrent une option économique pour des applications standardisées de surveillance environnementale.
Figure 2 : Configuration de calibration du capteur. Un module capteur alimenté en courant alternatif de 230 V configuré pour l’étalonnage afin d’assurer la cohérence des mesures sur tous les capteurs déployés. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.
2. Sélection du site et déploiement des modules capteurs
- Identifier les zones thermiques contrastantes.
- Sélectionnez deux typologies urbaines ou plusieurs contrastes dans la localité, généralement autour du bâtiment ou de la zone d’intérêt : (a) zone bâtie à forte densité, (b) zone adjacente à faible densité verte ou ombragée, (c) façade donnant sur la route, et (d) façade avec unités HVAC extérieures de rejet de chaleur.
- Installer des capteurs sur plusieurs façades lorsque cela est applicable pour capter les variations thermiques et polluantes.
- Montez les capteurs.
- Montez le module capteur (Figure 3) à l’aide de supports en acier inoxydable fixés par des vis en maçonnerie ou des cordes de harnais ancrés à des grilles de fenêtres ou des crochets muraux.
- Maintenir une hauteur de montage standard de 1 à 2 m au-dessus du niveau local du sol pour chaque façade du sol. La hauteur exacte peut varier selon les étages ou les bâtiments selon l’accessibilité, les infrastructures de soutien disponibles et la géométrie de la façade.
- Notez l’orientation directionnelle (par exemple, façade orientée est adjacente à la route) et les obstacles voisins (par exemple, unités CVC, murs).
- Configurez l’alimentation et la journalisation.
- Assurez-vous d’une alimentation électrique continue. Connectez le module à un adaptateur 230 V AC vers 12 V DC avec protection contre les surtensions, ou utilisez une batterie lithium-ion conçue pour au moins 24 heures de fonctionnement.
- Vérifiez la sortie du capteur en observant les lectures en temps réel sur l’interface d’affichage ou de logger pour confirmer une connexion stable et un enregistrement actif des données.
ATTENTION : Manipulez les équipements 230 V AC avec des gants isolés et évitez le contact avec les fils sous tension pendant l’installation.
Figure 3 : Enceinte de capteurs déployés sur le terrain. Un boîtier capteur protégé contre la pluie installé sur la façade d’un bâtiment à Chennai pour collecter les données deCO2, de température et d’humidité. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.
3. Collecte de données
- Commencez l’acquisition des données.
- Alimentez le bûcheron pour commencer à enregistrer et capturer le cycle de mesure diurne.
- Laissez le logeur fonctionner en continu pendant 24 heures avec un intervalle de journalisation de 10 minutes afin de capturer les variations de concentration de CO₂, de température et d’humidité sur toute la journée.
- Vérifiez que les horodatages restent synchronisés sur tous les capteurs avant et après le déploiement.
- Notez manuellement les temps de début et d’arrêt dans un carnet de bord de terrain pour fournir une documentation redondante de sauvegarde.
4. Recherche et visualisation des données
Figure 4 : Interface de tableau de bord de surveillance. Un instantané du tableau de bord cloud montrant en temps réel et des visualisations historiques des données des capteurs. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.
- Récupérer les données.
- Éjectez la carte SD en toute sécurité et insérez-la dans un lecteur de cartes ; copiez les fichiers de données CSV dans le dossier projet désigné.
- Pour les loggers connectés au Wi-Fi, connectez-vous via le SSID local et téléchargez les journaux via le tableau de bord basé sur IP (Figure 4).
- Traitez les données récupérées à l’aide d’un tableau ou d’un logiciel d’analyse de données pour préparer la visualisation.
- Générez des graphiques.
- Générez un graphique linéaire multivariable montrant la concentration et la température de CO2 sur l’axe primaire y ainsi que l’humidité relative (HR) sur l’axe secondaire y afin de permettre une comparaison directe des tendances.
- Étiquetez l’axe des x comme « Temps », l’axe principal des y comme « CO2 (ppm)/Température (°C) » et l’axe secondaire des y comme « Humidité relative ( %) ».
- Ajoutez une légende pour distinguer les variables et annoter les valeurs de pic (généralement entre 11:00 et 15:00) pour une comparaison inter-sites.
REMARQUE : Voir les figures 5, 6, 7 et 8 pour des graphiques représentatifs de la concentration de CO₂ en fonction du temps.
5. Contrôle qualité
- Effectuez la validation des données.
- Identifier et supprimer les valeurs aberrantes ou les points de données signalés en raison d’irrégularités d’horodatage ou d’erreurs de communication des dispositifs.
- Recalibrez si besoin.
- Si l’analyse post-expérience indique une dérive du capteur dépassant 3 % (±10 ppm), répétez l’étalonnage de base décrit à l’étape 1.2 et réacquirez les données dans des conditions identiques.
6. Optionnel : déploiement saisonnier ou multisite
- Élargissez le champ d’études.
- Étendre le déploiement en installant des capteurs sur toutes les façades et à plusieurs niveaux verticaux (par exemple, sol, milieu et toit) pour capturer les gradients verticaux thermiques et de CO2.
- Effectuer une surveillance saisonnière pendant les périodes d’été, d’hiver et de mousson afin d’évaluer la variabilité temporelle et diurne duCO2 et de la température.
- Effectuer une analyse des tendances saisonnières.
- Analysez les résultats à travers les localités et les saisons afin d’identifier les périodes récurrentes d’élévation duCO2 et des contraintes thermiques.
- Générez des visualisations comparatives pour évaluer l’influence de l’orientation du bâtiment, de l’utilisation des sols et de la composition des façades sur leCO2 et la variation de température.
7. Dépannage
- Coupure de courant.
- En cas de coupure de courant lors du déploiement, reconnectez le module à un adaptateur stable 230 V AC vers 5 V DC ou utilisez une batterie lithium-ion fournissant au moins 320 Wh pour assurer un fonctionnement ininterrompu 24 h.
- Assurez-vous que la batterie est entièrement chargée avant le redéploiement afin d’éviter la perte de données.
- Défaillance du journal ou données incomplètes.
- Si aucune donnée n’est enregistrée, vérifiez la continuité des fils à l’aide d’un testeur de circuit et confirmez la livraison de puissance avec un voltiomètre.
- Utilisez un multimètre numérique pour vérifier la sortie des bornes du capteur (5 V CC).
- Remplacez les cartes SD corrompues ou réinitialisez le microcontrôleur, puis répétez la calibration de base (étape 1.2) avant le redéploiement.
- Conduit endommagé ou câblage desserré.
- Si le conduit de protection est endommagé ou si le câblage est exposé, coupez immédiatement l’alimentation et remplacez le conduit par un tube PVC résistant aux UV, correspondant au diamètre du câble, avec une longueur 1,5 fois la section exposée afin d’assurer une couverture complète et un dégagement des deux côtés.
- Vérifiez l’intégrité de la connexion à l’aide d’un testeur de continuité avant de rétablir l’alimentation.
- Dérive du capteur ou lectures inexactes.
- Si les données dépassent ±3 % (±10 ppm pour le CO₂), recalibrez les capteurs en utilisant la procédure de référence en plein air décrite à l’étape 1.2.
- Enregistrer les relevés de base stabilisés pour confirmer l’exactitude avant de reprendre la collecte des données.
- Perte de transmission de données sans fil.
- Si la transmission Wi-Fi échoue, vérifiez la configuration de l’identifiant de service du logger (SSID) et la plage du routeur. Réinitialisez le microcontrôleur et rentrez les identifiants Wi-Fi.
- En secours, retirez la carte SD et récupérez manuellement les journaux de données CSV.
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Résultats
Les données enregistrées révèlent un schéma cohérent à travers la ville : les concentrations externes de CO₂ sont significativement plus élevées dans les zones à forte concrètation que dans les zones vertes adjacentes.
À Chennai (Figure 9), une différence de 78 ppm a été observée entre la façade est dominée en béton (490 ppm) et la façade nord verdoyante ombragée (412 ppm). Ce contraste a été accentué par la présence d’unités de c...
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Discussion
Une étape cruciale de ce protocole est l’étalonnage et la synchronisation de base des capteurs de CO₂, de température et d’humidité. Un étalonnage précis dans les environnements ombragés et en plein air est essentiel pour assurer la cohérence entre capteurs et minimiser la dérive lors dupremier déploiement. Un mauvais placement ou une exposition solaire inégale peuvent introduire de faux dégradés ; par conséquent, maintenir une hauteur de montage de 1 à 2 m et gar...
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Déclarations de divulgation
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Arduino IDE | Arduino | v2.x | Pour la programmation et le débogage des cartes ESP32/Arduino |
| Capteur CO2 NDIR (infrarouge non dispersif) | Sensirion | SCD40 / SCD41 | Utilisé pour la surveillance en temps réel du CO2 |
| Microcontrôleur de journalisation des données (ESP32) | Espressif | ESP32 DevKitC | Pour enregistrer les données des capteurs ; prend en charge le Wi-Fi et la carte SD |
| Capteur d’humidité et de température | Sensirion | SHT21 | Pour la mesure de la température ambiante et de l’humidité relative |
| Carte MicroSD (32 Go ou plus) | SanDisk / Kingston | Divers | Stocke les données de CO2, de température et d’humidité |
| Module de carte MicroSD | Fournisseur générique | N/A | Interface entre ESP32 et carte SD pour la journalisation des données |
| Adaptateur secteur (AC vers 5V DC) | Fournisseur générique | N/A | Convertit 230 V CA en alimentation stable 5 V CC |
| Environnement logiciel Python | Python.org | v3.10 (pandas 1.5, matplotlib 3.7) | Pour l’analyse avancée des données, la visualisation et l’automatisation |
| Boîtier de capteur étanche à la pluie | Polypropylène/Imprimé en 3D | N/A | Boîtier perforé pour protéger l’électronique de la pluie et de la poussière |
| Corde ou harnais de montage | Générique | N/A | Utilisé pour la sécurité des fa&ccédiles ; Montage ADE à la hauteur requise |
| Lecteur/Écrivain de carte SD | N’importe quelle interface USB | N/A | Pour transférer des données de la carte SD vers le PC |
| Excel ; | Microsoft | N/A | Pour les données de séries temporelles post-traitement |
| Calcul | LibreOffice | N/A | Logiciels de feuilles de calcul, pour les données de séries temporelles post-traitement |
| Câble USB (Micro/Type-C) | Générique | N/A | Utilisé pour programmer et alimenter le module ESP32 |
Références
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Réimpressions et autorisations
