Politechnika Wrocławska uruchomiła na terenie swojego kampusu sieć czujników do oceny jakości powietrza. Z zebranych informacji korzystać mogą nie tylko pracownicy i studenci, lecz także mieszkańcy Wrocławia. To jedyna tego typu instalacja w Polsce

Głównym powodem zanieczyszczeń powietrza w Polsce jest spalanie węgla i drewna w gospodarstwach domowych, które odpowiada za ponad 50 proc. emisji pyłów (PM10) i ponad 80 proc. emisji rakotwórczego benzo(a)pirenu. Zanieczyszczenie wzmagają także zakłady przemysłowe i elektrownie węglowe oraz komunikacja – najbardziej uciążliwe są stare samochody z silnikami diesla, często bez filtrów cząstek stałych.

Raporty publikowane przez WHO jednoznacznie stwierdzają, że wdychanie zanieczyszczonego powietrza negatywnie wpływa na naszą kondycję zdrowotną m.in. na układ oddechowy czy układ krwionośny. W przypadku oceny szkodliwości wdychanego powietrza ważne są dwie kwestie - długość ekspozycji na zanieczyszczenie i faktyczne stężenie szkodliwych substancji.

Przed zanieczyszczeniem powietrza trudno uciec

We Wrocławiu jeden z największych problemów to tzw. niska emisja, a w tym w okresie zimowym procesy spalania  węgla, często również śmieci w przydomowych kotłowniach, czy  spalanie niesezonowanego drewna w kominkach. 

Na stronach wrocławskiego Urzędu Miasta publikowane są dane na temat stanu powietrza, działa także system społecznego monitoringu smogu, w ramach którego mieszkańcy sami inwestują w czujniki powietrza. Jednak brak było zintegrowanej sieci pozwalającej na naukowe podejście do tematu. Ten problem postanowili rozwiązać badacze, studenci i absolwenci Politechniki Wrocławskiej.

– Pomysł na założenie sieci pomiarowej na terenie Wrocławia pojawił się już kilka lat temu. Chcieliśmy przede wszystkim zagęścić liczbę czujników i skoncentrować ją na wybranym obszarze, którym stał się kampus Politechniki Wrocławskiej przy pl. Grunwaldzkim. Należy jednak wspomnieć, że systeme czujników obejmuje również obszar poza główną częścią naszego kampusu. Utworzenie sieci to także efekt dyskusji i rekomendacji, które pojawiły się po  ubiegłorocznym cyklu debat „Wrocław w smogu” zorganizowanym przez Politechnikę Wrocławską – mówi prof. Izabela Sówka z Wydziału Inżynierii Środowiska PWr, kierowniczka i koordynatorka całego projektu.

Podstawowym celem projektu jest pomiar stężeń i analiza zanieczyszczeń odpowiedzialnych za tzw. smog, na terenie kampusu PWr, ale również chęć opracowania czujników, które w sposób wiarygodny określałyby jakość powietrza. W trakcie badań sprawdzane są również m.in. wpływ zabudowy, siły i kierunku wiatru oraz zieleni miejskiej skupionej na małym, zamkniętym obszarze na rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń.

Tym bardziej, że przed zanieczyszczeniem powietrza bardzo trudno się uchronić. Najprostszą metodą uniknięcia smogu wydaje się niewychodzenie z domu, ale nawet wtedy nie jesteśmy w stanie się przed nim zabezpieczyć. Szkodliwe cząsteczki dostają się do pomieszczeń, gdy np. otwieramy okna, drzwi, a nawet na podeszwach butów. W wypadku gdy nie wietrzymy mieszkań, są one cały czas obecne i również mogą negatywnie wpływać na nasze zdrowie. Co więcej, mieszkania muszą być wentylowane, aby dostarczać tlen potrzebny do oddychania i usuwać dwutlenek węgla.

– Trzeba więc pamiętać, że w pomieszczeniach nie jesteśmy całkowicie odizolowani. W zdecydowanej większości przypadków w mieszkaniach mamy do czynienia z wentylacją grawitacyjną, w której zasysane do wewnątrz powietrze zewnętrze nie jest oczyszczane. Gdy przestajemy otwierać okna, szkodzić  mogą nam także lotne związki organiczne emitowane z mebli, wykładzin czy farb – wyjaśnia dr inż. Marek Badura z Wydziału Inżynierii Środowiska PWr.

Czujniki w mieście są, ale rozproszone

Z informacji zebranych pod koniec 2017 r. wynika, że w stolicy Dolnego Śląska działały w ramach sieci Państwowego Monitoringu Środowiska zaledwie dwie automatyczne stacje, gdzie były wykonywane ciągłe pomiary stężeń pyłu PM2.5, czyli pyłu zawieszonego o średnicy nie większej niż 2,5 µm (zdaniem WHO jest on najbardziej szkodliwy dla zdrowia człowieka spośród innych zanieczyszczeń atmosferycznych) oraz ponad 20 różnego rodzaju czujników zakupionych przez mieszkańców.

Kłopot ze społecznym monitoringiem smogu jest taki, że nikt nie ma pewności, gdzie dokładnie znajdują się prywatne czujniki. Mogą być zamontowane na budynkach, lecz równie dobrze w mieszkaniach, co w efekcie może dawać rozbieżne dane dla konkretnego obszaru. Kolejny problem to  dostępne na rynku czujniki, które są oparte na innych rozwiązaniach i różnią się od siebie pod wieloma względami, a będąc blisko siebie dają czasem zaskakująco rozbieżne dane. 

– Z tego też powodu spadło zaufanie do tych urządzeń. Nie ma również możliwości analizy trendów zmian obszarowych w oparciu o urządzenia różnych producentów. Tym bardziej ważne było, żeby we Wrocławiu pojawiła się sieć wiarygodnych czujników, które pozwolą wykorzystać pomiary w realizowanych badaniach. Na bazie tych danych będziemy mogli budować nowe modele i sprawdzać zjawiska, których nie bylibyśmy w stanie właściwie ocenić przy mniejszej liczbie pomiarów na dobę czy tylko przy pojedynczych pyłomierzach – wyjaśnia Piotr Szymański, doktorant w Katedrze Inteligencji Obliczeniowej PWr, prezes Towarzystwa Upiększania Miasta Wrocławia.

Sieć uruchomiona przez naszych naukowców składa się obecnie z dziewiętnastu czujników, a docelowo ma ich być dwadzieścia. Zostały one rozmieszczone na terenie kampusu przy pl. Grunwaldzkim, a także w kampusie przy ul. Długiej, ul. Prusa, w Geocentrum przy ul. Na Grobli oraz na osiedlu domów akademickich przy ul. Wittiga. 

W niektórych przypadkach na budynkach znalazło się kilka czujników. Takim przykładem jest choćby siedziba Studium Języków Obcych przy wybrzeżu Wyspiańskiego. Jeden z czujników monitoruje stan powietrza od strony ulicy, a drugi od strony wewnętrznego dziedzińca. – Wynika to z faktu, że masy powietrza mogą się zachowywać inaczej w miejscu, które jest otoczone murami, a inaczej w obszarze zintensyfikowanego ruchu samochodowego. Już podczas montażu czujnika przy dziedzińcu od razu zauważyliśmy, że chwilowy poziom zanieczyszczeń był w tym miejscu znacznie wyższy niż po drugiej stronie budynku – dodaje dr inż. Marek Badura.

Natomiast na budynku Wydziału Elektroniki (C-5) na różnych wysokościach zamontowane zostały aż cztery czujniki. Pozwala to na zbadanie, jak zmienia się jakość powietrza w zależności od wysokości. – Akurat ten temat jest słabo zbadany i chcemy się nad nim mocniej pochylić. Z kolei montaż czujników na budynkach od strony pl. Grunwaldzkiego pozwoli nam ocenić, czy gmachy uczelni stanowią barierę przed napływem zanieczyszczonego powietrza – tłumaczy dr inż. Piotr Batog, absolwent Politechniki Wrocławskiej, który obecnie zajmuje się konstruowaniem inteligentnych systemów pomiarowych przeznaczonych do oceny jakości powietrza.

Sprzęt wykorzystany w projekcie składa się z innowacyjnych urządzeń pomiarowych, wykorzystujących metodę optyczną, w której pomiar polega na wykrywaniu światła odbitego od drobinek zawartych w powietrzu. Na podstawie ilości zliczeń i intensywności rozproszonego światła wyliczana jest chwilowa wartość stężenia pyłu w powietrzu. Następnie dane te są uśredniane w określonym czasie i powstaje wartość, którą możemy obserwować na stronie internetowej powietrze.pwr.edu.pl.

Niewątpliwą zaletą czujników optycznych jest fakt, że informacje o stanie powietrza można podawać w krótkich odstępach czasu. Na stronie internetowej dane są aktualizowane co 15 minut, ale na potrzeby prowadzenia badań okres ten można jeszcze skrócić - nawet do pojedynczych sekund. Co więcej na zasadzie trendu naukowcy są w stanie przewidzieć, jaka będzie jakość powietrza w najbliższym czasie. 

Wadą tego typu czujników jest natomiast wrażliwość na warunki atmosferyczne. Pomiar może zaburzać choćby zawartość wilgoci i kondensacja pary wodnej na drobinach pyłu. – Wykonane przez nas czujniki pozwalają jednak poradzić sobie z tymi kwestiami. Posiadają one bowiem specjalny tor pomiarowy, który odizolowuje czujnik od warunków zewnętrznych, natomiast dzięki zastosowaniu podgrzewania wyeliminowany został problem kondensacji pary wodnej. Dzięki temu udaje nam się uzyskiwać wiarygodne wyniki – podkreśla dr inż. Piotr Batog.

Dane pozyskiwane ze wszystkich czujników zbierane bezprzewodowo i gromadzone na serwerze. Czujniki mają modułową budowę, co oznacza, że w przyszłości będzie można do nich podłączyć kolejne elementy. Koszt wykonania całego systemu wyniósł 40 tys. zł i jest to pierwsza tego typu sieć uruchomiona na terenie wyższej uczelni w Polsce.

To dopiero początek

Obecnie projekt zakłada zbieranie i udostępnianie danych na temat stanu powietrza na stronie internetowej, ale nasi naukowcy już planują dodanie nowych funkcjonalności. Jedną z nich ma być uruchomienie specjalnej aplikacji, która pozwoli na sprawdzanie jakości powietrza za pośrednictwem smartfonów.

– Z punktu widzenia badawczego rysują się z kolei trzy główne kierunki. Pierwszy z nich zakłada rozszerzenie sieci czujników o czujniki gazów, co pozwoli na badanie zanieczyszczeń dominujących w cieplejszych okresach. Drugi odnosi się do rozwoju modeli przepływu mas powietrza na obszarach, gdzie mamy do czynienia ze zwartą zabudową i gdzie mogą występować różne warunki meteorologiczne, a trzeci kierunek to poszerzenie współpracy z władzami samorządowymi, jednostkami administracji państwowej i organizacjami społecznymi, żeby stworzyć mapy jakości powietrza o jak największej rozdzielczości na terenie całego miasta – wymienia prof. Izabela Sówka.

Kluczowe znaczenie może mieć współpraca z władzami Wrocławia. Pierwszym krokiem była decyzja o zastosowaniu skali wykorzystywanej w uruchomionym w styczniu Wrocławskim Indeksie Powietrza. Prezentuje ona stan powietrza podzielony na sześć kategorii – od dobrej do krytycznej – wraz z za zaleceniami, jak należy zareagować i zachować się w stosunku do panujących warunków zewnętrznych. Dane prezentowane z użyciem Wrocławskiego Indeksu Powietrza pojawiają się n.in. na stronie Urzędu Miasta oraz na tablicach informacji pasażerskiej na przystankach.

– Dobrym pomysłem byłoby także, gdyby informacje o stanie powietrza w rejonie pl. Grunwaldzkiego były pobierane z naszej sieci, a nie z czujników umieszonych kilka czy kilkanaście kilometrów dalej – dodaje Piotr Szymański.

Przede wszystkim edukacja

Kolejnym ważnym elementem jest konieczność ciągłego informowania o społecznych skutkach smogu, ale też o programach antysmogowych. – Wydawać by się mogło, że temat smogu jest powszechnie znany. Tymczasem okazuje się, że jest tak tylko wśród osób lepiej wykształconych, natomiast do wielu obywateli temat ten po prostu nie dociera – zaznacza Piotr Szymański.

Jako przykład podaje niewielkie zainteresowanie programem „Kawka”, w ramach którego miasto przyznawało dotację mieszkańcom decydującym się na wymianę przestarzałych pieców i kotłowni. W 2018 r. we Wrocławiu wykorzystano jedynie 4 proc. przeznaczonych na to środków. 

Zdaniem prof. Izabeli Sówki kwestia poprawy edukacji w tym względzie może być także dobrym kierunkiem dla rozwoju Politechniki Wrocławskiej. – Można by się zastanowić nad uruchomieniem kierunku studiów, który kształciłby tzw. doradców ekologicznych. Niewiedza często bowiem wynika z barier technicznych. Osoba starająca się o dotację nagle zostaje bowiem sama z problemem zamontowania instalacji czy nawet z oceną jej wydajności. W podjęciu właściwych decyzji mogliby pomóc właśnie doradcy – tłumaczy.

Co ważne, obecnie nowe strumienie finansowania m.in. z Unii Europejskiej są nastawione na  poprawę jakości życia, promowanie wykorzystywania odnawialnych źródeł energii, efektywności energetycznej, elektromobilności oraz właśnie programy edukacyjne.

Warto też pamiętać, że zanieczyszczenia znajdujące się w powietrzu nie pozostają tam stale. Gdy tylko pojawia się deszcz, wszystkie szkodliwe związki mogą spływać do gruntu i przenikać do wód gruntowych. – Jeśli mówimy o monitorowaniu środowiska, to musimy mieć świadomość, że zanieczyszczenia migrują. Unikanie rozwiązania w tym względzie nie służy niczemu – podkreśla prof. Izabela Sówka.

mic