Простой и эффективный протокол экологического мониторинга для измерения температуры, влажности, скорости ветра и изменений углекислого газа на городских поверхностях с разным воздействием солнечного света под влиянием эффекта городского теплового острова.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Мониторинг изменчивости CO2 на уровне фасада в условиях городских тепловых островов с использованием недорогих регистраторов данных датчиков
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Урбанизация и быстрые изменения в использовании земель усилили эффект городского теплового острова (UHIE), что привело к повышению температуры окружающей среды, изменению влажности и увеличению накопления углекислого газа (CO2) в густонаселённых городских условиях. Эти микроклиматические изменения влияют не только на тепловой комфорт, но и на качество внешнего воздуха, а значит, и на динамику внутренней вентиляции. Современные методы мониторинга, такие как спутниковое дистанционное зондирование и городские станции качества воздуха, дают ценные данные, но не обладают необходимой пространственной разрешённостью на уровне фасада для информирования вмешательств на уровне зданий.
В этом исследовании представлен воспроизводимый, недорогой протокол для индивидуального мониторингаCO2, температуры и влажности на фасаде с использованием недисперсионных инфракрасных (NDIR) датчиков, интегрированных с микроконтроллерами данных. Сенсорные модули размещаются на контрастных тепловых зонах — на фасадах, экспонируемых солнцем и затеняемых — для фиксации суточных изменений в течение 24-часового цикла. Калибровка с учётом базовых концентрацийCO2 обеспечивает точность измерений и сопоставимость между датчиками. Метод был проверен в четырёх индийских городах с уникальными городскими формами. Результаты стабильно показывали более высокие концентрацииCO2 в густо застроенных зонах по сравнению с прилегающими зелёными фасадами, с разницами от 19 ppm (Пуна, Индия) до 78 ppm (Ченнаи, Индия). Эти градиенты также были связаны с локальным повышением температуры до 2 °C и снижением относительной влажности, что подтверждает роль UHIE в усилении удержания загрязняющих веществ.
Предлагаемый протокол предлагает масштабируемый, полевы подход к оценке городского микроклимата, оптимизации систем HVAC и исследований экологического здоровья. ПомимоCO2, методологию можно расширить для включения дополнительных параметров качества воздуха, таких как PM₂.₅, PM₁₀ и VOC, что позволяет провести комплексную оценку качества городского воздуха. Предоставляя данные на уровне фасада в реальном времени, эта система мониторинга поддерживает принятие решений на основе данных для устойчивого проектирования зданий, интеллектуальных систем вентиляции и долгосрочного климатоустойчивого градостроительства.
Введение
Эффект городского теплового острова (UHIE) — это устойчивое климатическое явление, при котором городские регионы испытывают повышенные температуры по сравнению с сельской местностью, главным образом из-за антропогенных тепловых выбросов, плотных поверхностных материалов и уменьшения растительного покрова 1,2,3. Повышенные городские температуры изменяют локальные микроклиматы, влияя на поток ветра, влажность и удержание атмосферногоCO2 1,4. В густо застроенных условиях тепловая стратификация снижает естественное смешивание воздуха, тем самым усиливая накопление CO₂ на уровне пешеходов, что, в свою очередь, влияет как на качество воздуха, так и на общественноездоровье 5,6.
Городская морфология сильно влияет на микроклиматическое поведение и динамикуCO2, особенно на уровне зданий ирайонов 2. Различия в солнечном воздействии между затенёнными и солнечными фасадами создают измеримые градиенты температуры, влажности и концентрации загрязняющих веществ. Хотя спутниковые и дистанционные методы эффективно фиксируют масштабные схемы UHIE, мониторинг на месте на фасаде или зданиях остаётсяограниченным — 5,6.
Это детализированное решение становится всё более критичным, поскольку изменение климата усиливает интенсивность UHIE. Городам необходимы экономичные и масштабируемые методы мониторинга и снижения тепловых и качественных рисков 4,7,8. Для устранения этого пробела в настоящем исследовании введён сенсорный протокол пространственного и временного мониторинга флуктуацийCO2 в городских микросредах. Недорогие датчики NDIRCO2 и термогигрометры были установлены на фасадах, подвергшихся солнечному воздействию и затенённым фасадам для оценки влияния теплового воздействия и воздушного потока на удержаниеCO2. Данные были собраны как из зон с высокой плотностью застроенности, так и из зелёных зон, что позволило оценить влияние землепользования на паттерны выбросов.
Сосредотачиваясь на микроклиматах на уровне фасада, этот подход выявляет критические экологические градиенты, влияющие на химию воздуха в реальных строительных условиях 1,2,5. Результаты релевантны для нескольких областей, включая городскую климатологию, моделирование качества воздуха, устойчивую архитектуру и проектирование систем HVAC. В частности, выявление фасадов, богатыхCO2, горячих точек выбросов автомобилей и плохо проветриваемых зон может помочь в размещении воздухозаборников, направить пассивные стратегии вентиляции и поддержать климаточувствительныйградостроительный дизайн 4,7. С внедрением стратегий смягчения последствий, таких как зелёные крыши, отражающие покрытия, растительные фасады и материалы с высоким уровнем SRI, точный мониторинг на уровне фасадов предоставляет количественные доказательства для проверки эффективности и обеспечения долгосрочных климатически устойчивых мер 3,8.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
1. Калибровка и настройка датчиков
Рисунок 1: Корпус сенсорного модуля с питанием переменного тока. Датчик на 230 В переменного тока, содержащий датчикиCO2, температуры и влажности, используемый для непрерывного микроклиматического мониторинга. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
- Подготовьте сенсорные модули.
- Соберите модуль датчика (рисунок 1) с использованием датчика CO₂ NDIR и комбинированного датчика температуры и влажности.
- Настройте регистратор данных на базе микроконтроллера с модулем реального времени и защищённым цифровым (SD) щитом карты.
- Установите частоту логирования на одно измерение каждые 10 минут.
- Разместите сборку внутри термостойкого корпуса, обычно из полипропилена, и убедитесь, что вся проводка изолирована, а разъёмы надёжно закреплены.
- Проверьте работу датчика и выполните калибровку на открытом воздухе.
- Разместите все датчикиCO2 и температуры-влажности в хорошо проветриваемом уличном помещении (рисунок 2).
- Подключите к стабильному источнику питания, желательно к адаптеру 230 В AC-DC или к аккумуляторному банку, рассчитанному на непрерывную работу 24 часа.
- Дайте датчикам стабилизироваться в течение 5-10 минут и фиксируйте базовые уровни CO₂ (примерно 410 ppm ± 3%) для проверки согласованности между устройствами (в пределах ±3% или ±10 ppm).
- ПРИМЕЧАНИЕ: Датчики CO₂, температуры и влажности с интегрированным логированием данных доступны в коммерческих продажах и предлагают экономичный вариант для стандартизированных приложений экологического мониторинга.
Рисунок 2: Настройка калибровки датчиков. Модуль датчиков на 230 В переменного тока, настроенный для калибровки для обеспечения согласованности измерений на всех развернутых датчиках. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
2. Выбор места и развертывание сенсорных модулей
- Определите контрастные тепловые зоны.
- Выберите две или более контрастных городских типологий внутри населённого пункта, обычно вокруг здания или интересующей зоны: (а) плотно застроенная зона, (б) прилегающая низкоплотная зелёная или затенённая зона, (в) фасад, выходящий на дорогу, и (г) фасад с наружными установками отвода тепла HVAC.
- Устанавливайте датчики на нескольких фасадах по мере необходимости, чтобы фиксировать тепловые и загрязняющие вариации.
- Установите датчики.
- Смонтировать модуль датчика (рисунок 3) с помощью кронштейнов из нержавеющей стали, закреплённых кирпичными винтами или верёвками, закреплёнными на решётках или крючках для стен.
- Поддерживайте стандартную высоту крепления 1-2 м выше местного уровня пола для каждого фасада на полу. Точная высота может варьироваться между этажами или зданиями в зависимости от доступности, поддерживающей инфраструктуры и геометрии фасада.
- Запишите направленную ориентацию (например, фасад, обращённый на восток рядом с дорогой) и близлежащие препятствия (например, системы HVAC, стены).
- Настройте питание и логирование.
- Обеспечьте непрерывное питание. Подключите модуль к адаптеру 230 В переменного тока на 12 В постоянного тока с защитой от перенапряжения или используйте литий-ионный аккумуляторный блок, рассчитанный на работу не менее 24 часов.
- Проверьте выход датчика, наблюдая живые показания на интерфейсе дисплея или логера, чтобы подтвердить стабильное соединение и активную запись данных.
ВНИМАНИЕ: Обращайтесь с оборудованием на 230 В переменного тока в изолированных перчатках и избегайте контакта с проводами под напряжением во время установки.
Рисунок 3: Корпус датчиков, развернутый на поле. На фасаде здания в Ченнаи установлен защищённый от дождя корпус датчика для сбора данных оCO2, температуре и влажности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
3. Сбор данных
- Начать сбор данных.
- Подключите логеру для начала записи и фиксации суточного цикла измерений.
- Дайте логгеру работать непрерывно в течение 24 часов с интервалом фиксации данных 10 минут, чтобы фиксировать дневные колебания концентрации, температуры и влажности CO₂.
- Проверьте, что временные метки синхронизированы на всех датчиках до и после развертывания.
- Записывайте время запуска и остановки вручную в полевым журнале, чтобы обеспечить резервную документацию.
4. Поиск и визуализация данных
Рисунок 4: Интерфейс мониторинговой панели. Снимок облачной панели управления с визуализациями данных сенсоров в реальном времени и истории. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
- Получить данные.
- Безопасно вынимите SD-карту и вставьте её в считыватель; скопируйте файлы CSV-данных в специальную папку проекта.
- Для логеров с поддержкой Wi-Fi подключайтесь через локальный SSID и загружайте логи через панель управления на основе IP-адреса (рисунок 4).
- Обрабатывайте полученные данные с помощью таблицы или программного обеспечения для анализа данных, чтобы подготовиться к визуализации.
- Генерируйте графики.
- Создать многопеременный линейный график, показывающий концентрацию и температуруCO2 на первичной оси y и относительную влажность (RH) на вторичной оси y, чтобы позволить прямое сравнение трендов.
- Обозначите ось x как «Время», первичную ось y как «CO 2 (ppm)/Температуру (°C)», а вторичную ось y как «Относительная влажность (%)».
- Добавьте легенду для различения переменных и аннотируем пиковые значения (обычно между 11:00 и 15:00) для сравнения между сайтами.
ПРИМЕЧАНИЕ: См. рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7 и Рисунок 8 для репрезентативных графиков концентрации CO₂ относительно времени.
5. Контроль качества
- Проведите валидацию данных.
- Выявляйте и удаляйте выбросы или точки данных, помеченные из-за нарушений временной метки или ошибок коммуникации устройств.
- Перекалибруйте при необходимости.
- Если анализ после эксперимента показывает, что дрейф датчика превышает 3% (±10 ppm), повторите базовую калибровку, описанную в шаге 1.2, и заново получите данные при аналогичных условиях.
6. Опционально: сезонное или многообъектовое развертывание
- Расширяйте область исследований.
- Расширить развертывание, установив датчики на всех фасадах и на нескольких вертикальных уровнях (например, на земле, среднем и на крыше) для фиксации вертикальных тепловыхи CO2 градиентов.
- Проводить сезонный мониторинг в летний, зимний и муссонный периоды для оценки временной и суточной изменчивостиCO2 и температуры.
- Проведите анализ сезонных трендов.
- Анализируйте результаты по местностям и сезонам для выявления повторяющихся периодов повышенного уровняCO2 и теплового напряжения.
- Создавать сравнительные визуализации для оценки влияния ориентации здания, землепользования и состава фасадов на изменение концентрацииCO2 и температуры.
7. Устранение неполадок
- Отключение электроэнергии.
- Если при развертывании произойдёт отключение электроэнергии, подключите модуль к стабильному адаптеру 230 В переменного тока на 5 В постоянного тока или используйте литий-ионный аккумуляторный банк с ёмкостью не менее 320 Вт·ч для обеспечения бесперебойной работы 24 часа.
- Убедитесь, что аккумуляторный банк полностью заряжен перед повторным размещением, чтобы избежать потери данных.
- Сбой логгера или неполные данные.
- Если данные не записываются, проверьте целостность провода с помощью тестера схемы и подвергите подачу питания с помощью измерителя напряжения.
- Используйте цифровой мультиметр для проверки выхода клеммы датчика (5 В постоянного тока).
- Замените повреждённые SD-карты или сбросьте микроконтроллер, затем повторите базовую калибровку (шаг 1.2) перед повторным развертыванием.
- Повреждённая труба или ослабленная проводка.
- Если защитная труба повреждена или проводка открыта, немедленно отключите питание и замените трубу на ультрафиолетостойкую ПВХ-трубку, соответствующую диаметру кабеля, с длиной в 1,5 раза больше открытой части для обеспечения полного покрытия и зазора с обеих сторон.
- Проверьте целостность соединения с помощью тестера непрерывности перед восстановлением питания.
- Дрейф датчика или неточные показания.
- Если данные отклоняются выше ±3% (±10 ppm для CO₂), перекалибруйте датчики с помощью процедуры открытой базовой линии, описанной на шаге 1.2.
- Фиксируйте стабилизированные исходные показания для подтверждения точности перед возобновлением сбора данных.
- Потеря беспроводной передачи данных.
- Если Wi-Fi передача не работает, проверьте конфигурацию идентификатора сервисного набора (SSID) и диапазон маршрутизатора. Сбросьте микроконтроллер и снова введите учетные данные Wi-Fi.
- В качестве резервной копии удалите SD-карту и вручную извлекайте CSV-журналы данных.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Зафиксированные данные показывают устойчивую межгородскую схему: внешние концентрации CO₂ значительно выше в районах с высокой конкретизацией по сравнению с соседними зелёными зонами.
В Ченнаи (рисунок 9) наблюдалась разница в 78 ppm между восточным фасадом, доминирующим бетоном (490 ppm), и затенённым зелёным северным фасадом (412 ppm). Этот контраст усугублялся наличием наружных конденсаторов HVAC на восточном фасаде, которые вы...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
Критическим этапом в этом протоколе является базовая калибровка и синхронизация датчиков CO₂, температуры и влажности. Точная калибровка в затенённых, открытых условиях крайне важна для обеспечения согласованности между датчиками и минимизации смещения приразвертывании 1. Неправильное расположение или неравномерное солнечное воздействие могут привести к ложным градиентам; поэтому поддержание высоты крепления 1-2 м и обеспечение достаточного расстояния от локальных...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Авторам нечего раскрывать.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Arduino IDE | Arduino | v2.x | Для программирования и отладки плат ESP32/Arduino |
| CO2 датчик, NDIR (недисперсионный инфракрасный) | Сензирион | SCD40 / SCD41 | Используется для мониторинга окружающего CO2 в реальном времени |
| Микроконтроллер логирования данных (ESP32) | Эспрессиф | ESP32 DevKitC | Для регистрации данных датчиков; поддерживает Wi-Fi и SD-карту |
| Датчик влажности и температуры | Сензирион | SHT21 | Для измерения температуры окружающей среды и относительной влажности |
| MicroSD-карта (32 ГБ и выше) | SanDisk / Kingston | Различные | Хранит данные о CO2, температуре и влажности по временным сериям |
| Модуль MicroSD-карты | Поставщик дженерика | Н/Д | Интерфейс между ESP32 и SD-картой для логирования данных |
| Адаптер питания (от переменного тока до 5V постоянного тока) | Поставщик дженерика | Н/Д | Преобразует 230 В переменного тока в стабильную 5 В постоянного тока |
| Программная среда Python | Python.org | v3.10 (Панды 1.5, Matplotlib 3.7) | Для продвинутого анализа данных, визуализации и автоматизации |
| Корпус датчика для дождя | Полипропилен/3D-печать | Н/Д | Перфорированный корпус для защиты электроники от дождя и пыли |
| Верёвка или монтажная система | Дженерик | Н/Д | Используется для защищённого фаза и ccedil; Крепление ADE на нужной высоте |
| Считыватель/записчик SD-карт | Любой USB-интерфейс | Н/Д | Для передачи данных с SD-карты на ПК |
| Excel | Microsoft | Н/Д | Для постобработки временных рядов данных |
| Калькулюс | LibreOffice | Н/Д | Программное обеспечение для электронных таблиц, для обработки временных рядов данных |
| USB-кабель (Micro/Type-C) | Дженерик | Н/Д | Используется для программирования и питания модуля ESP32 |
Ссылки
- Hirano, Y., Yoshida, Y. Assessing the effects of CO reduction strategies on heat islands in urban areas. Sustain Cities Soc. 26, 383-392 (2016).
- Gago, E. J., Roldan, J., Pacheco-Torres, R. The city and urban heat islands: A review of strategies to mitigate adverse effects. Renew Sustain Energy Rev. 25, 749-758 (2013).
- Wong, N. H., Jusuf, S. K. Urban Heat Island and Mitigation Strategies at City and Building Level. Advances in the Development of Cool Materials for the Built Environment. , Bentham Science Publishers. (2013).
- Irfeey, A. M. M., et al. Sustainable mitigation strategies for urban heat island effects in urban areas. Sustainability. 15 (14), 10767(2023).
- Pioppi, B., Pigliautile, I., Pisello, A. L. Human-centric microclimate analysis of Urban Heat Island: Wearable sensing and data-driven techniques for identifying mitigation strategies in New York City. Urban Clim. 34, 100716(2020).
- Schiano-Phan, R., Weber, F., Santamouris, M. The mitigative potential of urban environments and their microclimates. Buildings. 5 (3), 783-801 (2015).
- Fadhil, M., Hamoodi, M. N. Mitigating urban heat island effects in urban environments: Strategies and tools. IOP Conf Ser Earth Environ Sci. 1229, 012025(2023).
- Srivastava, V. T., Sharma, A., Jadon, S. S. A review of the formation, mitigation strategies from 50 years of global urban heat island studies. Environ Dev Sustain. , (2024).
- Schaefer, M., et al. Assessing local heat stress and air quality with the use of remote sensing and pedestrian perception in urban microclimate simulations. Sci Total Environ. 794, 148709(2021).
- Ghorbany, S., Hu, M., Yao, S., Wang, C. Towards a sustainable urban future: A comprehensive review of urban heat island research technologies and machine learning approaches. Sustainability. 16 (11), 4609(2024).
- India - satellite imagery and base map data. , Google Maps. Available from: https://www.google.com/maps (2025).
- Cuce, P. M., Cuce, E., Santamouris, M. Towards sustainable and climate-resilient cities: mitigating urban heat islands through green infrastructure. Sustainability. 17 (3), 1303(2025).
- Hong, C., Wang, Y., Gu, Z., Yu, C. W. Cool façades to mitigate urban heat island effects. Indoor Built Environ. 31 (10), 2373-2377 (2022).
- Cvar, N., Trilar, J., Kos, A., Volk, M., Duh, E. S. The use of IoT technology in smart cities and smart villages: similarities, differences, and future prospects. Sensors. 20 (14), 3897(2020).
- Kousis, I., Pigliautile, I., Pisello, A. L. Intra-urban microclimate investigation in urban heat island through a novel mobile monitoring system. Sci Rep. 11, 9732(2021).
- Castaldo, V. L., Pisello, A. L., Pigliautile, I., Piselli, C., Cotana, F. Microclimate and air quality investigation in historic hilly urban areas: Experimental and numerical investigation in central Italy. Sustain Cities Soc. 33, 27-44 (2017).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
