Εκτίμηση της αέριας και σωματιδιακής ρύπανσης στην καμπίνα των επιβατών αυτοκινήτου

Abstract

The dissertation focused on the measurement of concentrations of the gaseous pollutants CO, NO, NO2, SO2, O3, which are emitted to a large extent by the transport sector. In addition, the number of particles were measured and grouped by size for PM0.3-0.5, PM0.3-1.0, PM1.0-2.5 and PM2.5-10. Simultaneously with the above, the values of environmental parameters, inside and outside the cabin, were recorded throughout the measurements, as well as information on the operation and motion of each vehicle that participated in the measurements phase. The main objectives of the study were to determine the In/Out ratio of the five gaseous pollutants for different ventilation scenarios and to investigate the possible correlation between the environmental parameters and those of the vehicle with the variation of the concentrations per pollutant inside the vehicle cabin. Two devices (inside and outside the vehicle) of high-precision electrochemical sensors were used to measure the gaseous pollutants. Three approaches were investigated for their calibration, namely the Single and Multiple Linear Regression and the Random Forest algorithm. The devices generally followed the pattern of the time series of the reference station of the Municipality of Thessaloniki in the average resolution of 10 minutes. However, their performance was lower in terms of the reference values, mean error and overall deviation. The calibration significantly improved the agreement between the measurements of the two devices and the reference device. The use of Simple Linear Regression was finally chosen as the basic calibration method. The field measurements were performed in the city of Thessaloniki. Most routes were selected within the residential area, where the highest concentrations of pollutants have been observed. There were four basic scenarios that were repeated most of the time. The choice of these scenarios was based on the literature: closed windows, half-open windows, closed windows with ventilation activated and closed windows with the ventilation activated and air recirculation on. The results reported in the I/O ratio of the concentration of gaseous pollutants show a higher concentration of NO, SO2 and CO pollutants inside the cabin compared to the outside environment for all ventilation scenarios. On the other hand, it seems that the concentration of NO2 and O3 gases is lower inside the vehicle cabin compared to the outside environment. The ventilation scenario is observed to have a significant effect on the ratio of concentrations inside and outside the cabin. With regard to particles, the pattern of change in particle concentrations of different diameters with the ventilation scenario appears to be similar between vehicles. For smaller diameter particles, the concentrations increase as we move from the closed windows scenario with the ventilation activated and air recirculation on to the semi-open windows scenario. The vehicle type seems to affect the concentration of particles, of any diameter, inside the cabin. The exploratory attempt to predict the concentration of a gaseous pollutant in the cabin resulted in the development of linear multiple regression models. Depending on the pollutant and the ventilation scenario, the values of the adjusted R2 ranged from 54% to 70%.

Η διατριβή ασχολήθηκε με τη μέτρηση των συγκεντρώσεων των αέριων ρύπων CO, NO, NO2, SO2, O3, που παράγονται κατά μεγάλο ποσοστό από τον τομέα των μεταφορών. Επιπρόσθετα, έγιναν μετρήσεις του αριθμού μικροσωματιδίων κατ΄ όγκο και διαχωρισμός κατά μέγεθος για διαστάσεις PM0.3-0.5, PM0.3-1.0, PM1.0-2.5 και PM2.5-10. Ταυτόχρονα με τα παραπάνω, οι τιμές περιβαλλοντικών παραμέτρων, εντός και εκτός της καμπίνας, καταγράφονταν σε όλη τη διάρκεια των μετρήσεων, όπως και πληροφορίες για τη λειτουργία και την κίνηση του οχήματος που μετείχε στις μετρήσεις. Κύριοι στόχοι της μελέτης ήταν ο προσδιορισμός του λόγου Ιn/Οut των πέντε αέριων ρύπων για διαφορετικά σενάρια αερισμού και η διερεύνηση της πιθανής συσχέτισης των περιβαλλοντικών παραμέτρων και εκείνων του οχήματος με τη μεταβολή των συγκεντρώσεων ανά ρύπο εντός της καμπίνας. Για τη μέτρηση των αέριων ρύπων, χρησιμοποιήθηκαν δύο συσκευές (εντός κι εκτός του οχήματος) ηλεκτροχημικών αισθητήρων μεγάλης ακρίβειας. Για τη βαθμονόμησή τους διερευνήθηκαν τρεις προσεγγίσεις, συγκεκριμένα της Απλής και Πολλαπλής Γραμμικής Παλινδρόμησης και του αλγορίθμου Τυχαίου Δάσους. Οι συσκευές ακολούθησαν γενικά το μοτίβο της χρονοσειράς του σταθμού αναφοράς του Δήμου Θεσσαλονίκης στη μέση ανάλυση των 10 λεπτών. Ωστόσο, η απόδοσή τους ήταν χαμηλότερη, όσον αφορά τις τιμές αναφοράς, ως προς το μέσο σφάλμα και τη συνολική απόκλιση. Η βαθμονόμηση βελτίωσε σημαντικά τη συμφωνία μεταξύ των μετρήσεων των συσκευών και της συσκευής αναφοράς. Για τη βαθμονόμηση των συσκευών επιλέχθηκε τελικά η χρήση της Απλής Γραμμικής Παλινδρόμησης, ως βασικής μεθόδου βαθμονόμησης. Οι μετρήσεις πεδίου διεξήχθησαν στην πόλη της Θεσσαλονίκης. Οι περισσότερες διαδρομές επιλέχθησαν μέσα στην κατοικημένη περιοχή, όπου έχουν παρατηρηθεί οι υψηλότερες συγκεντρώσεις των ρύπων. Υπήρχαν τέσσερα βασικά σενάρια που επαναλαμβάνονταν τις περισσότερες φορές. Η επιλογή αυτών των σεναρίων βασίστηκε στη βιβλιογραφία: κλειστά παράθυρα, μισάνοιχτα παράθυρα, κλειστά παράθυρα με τον εξαερισμό ενεργοποιημένο στη μεσαία σκάλα και κλειστά παράθυρα με τον εξαερισμό ενεργοποιημένο στη μεσαία σκάλα και ανακύκλωση αέρα. Τα αποτελέσματα που αναφέρονται στον λόγο της συγκέντρωσης των αέριων ρύπων καταδεικνύουν μια υψηλότερη συγκέντρωση των ρύπων NO, SO2 και CO, στο εσωτερικό της καμπίνας σε σχέση με το εξωτερικό περιβάλλον, για το σύνολο των σεναρίων αερισμού. Από την άλλη, φαίνεται ότι η συγκέντρωση των αερίων NO2 και O3 είναι χαμηλότερη στο εσωτερικό της καμπίνας του οχήματος σε σχέση με το εξωτερικό περιβάλλον. Το σενάριο αερισμού παρατηρείται να έχει μια σημαντική επίδραση στο λόγο των συγκεντρώσεων εντός κι εκτός της καμπίνας. Αναφορικά με τα μικροσωματίδια, το μοτίβο της μεταβολής των συγκεντρώσεων των σωματιδίων των διαφόρων διαμέτρων με το σενάριο αερισμού φαίνεται να είναι όμοιο μεταξύ των οχημάτων. Για τα σωματίδια μικρότερης διαμέτρου, οι συγκεντρώσεις αυξάνουν καθώς μεταβαίνουμε από το σενάριο κλειστά παράθυρα με τον εξαερισμό ενεργοποιημένο στη μεσαία σκάλα και ανακύκλωση αέρα προς το σενάριο των ημιανοικτών παραθύρων. Ο τύπος οχήματος φαίνεται να επηρεάζει τη συγκέντρωση των σωματιδίων, κάθε διαμέτρου, στο εσωτερικό της καμπίνας. Η διερευνητική προσπάθεια πρόβλεψης της συγκέντρωσης ενός αέριου ρύπου στην καμπίνα είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργία γραμμικών μοντέλων πολλαπλής παλινδρόμησης. Ανάλογα με τον ρύπο και το σενάριο αερισμού, οι τιμές του προσαρμοσμένου συντελεστή προσδιορισμού (adjusted R2) κυμαίνονταν από 54% έως 70%.

Het proefschrift richtte zich op het meten van concentraties van de gasvormige verontreinigende stoffen CO, NO, NO2, SO2, O3, die in grote mate worden uitgestoten door de transportsector. Daarnaast werd het aantal PM gemeten en gegroepeerd op grootte voor PM0,3-0,5, PM0,3-1,0, PM1,0-2,5 en PM2,5-10. Gelijktijdig met het bovenstaande werden de waarden van de omgevingsparameters, binnen en buiten de cabine, tijdens de metingen geregistreerd, evenals informatie over de werking en beweging van elk voertuig dat deelnam aan de meetfase. De belangrijkste doelstellingen van het onderzoek waren het bepalen van de In/Out-verhouding van de vijf gassen voor verschillende ventilatiescenario's en het onderzoeken van de mogelijke correlatie tussen de omgevingsparameters en die van het voertuig met de variatie van de concentraties per verontreinigende stof in de voertuigcabine. Twee apparaten (binnen en buiten het voertuig) van zeer nauwkeurige elektrochemische sensoren werden gebruikt om de gassen te meten. Er zijn drie benaderingen onderzocht voor hun kalibratie, namelijk de Single en Multiple Linear Regression en het Random Forest-algoritme. De apparaten volgden over het algemeen het patroon van de tijdreeksen van het referentiestation van de gemeente Thessaloniki met een gemiddelde resolutie van 10 minuten. Hun prestaties waren echter lager wat betreft de referentiewaarden, de gemiddelde fout en de algehele afwijking. De kalibratie verbeterde de overeenkomst tussen de metingen van de twee apparaten en het referentieapparaat aanzienlijk. Het gebruik van Simple Linear Regression werd uiteindelijk gekozen als de basiskalibratiemethode. De veldmetingen zijn uitgevoerd in de stad Thessaloniki. De meeste routes zijn gekozen binnen het woongebied, waar de hoogste concentraties gassen zijn waargenomen. Er waren vier basisscenario's die meestal werden herhaald. De keuze voor deze scenario's is gebaseerd op de literatuur: gesloten ramen, halfopen ramen, gesloten ramen met ventilatie ingeschakeld en gesloten ramen met ventilatie ingeschakeld en luchtrecirculatie aan. De resultaten gerapporteerd in de I/O-verhouding van de concentratie van gassen laten een hogere concentratie van NO, SO2 en CO in de cabine zien in vergelijking met de buitenomgeving voor alle ventilatiescenario's. Aan de andere kant lijkt het erop dat de concentratie van NO2 en O3 in de voertuigcabine lager is dan in de buitenomgeving. Het ventilatiescenario blijkt een significant effect te hebben op de verhouding van concentraties binnen en buiten de cabine. Met betrekking tot PMs lijkt het patroon van verandering in PM concentraties van verschillende diameters met het ventilatiescenario vergelijkbaar te zijn tussen voertuigen. Voor PMs met een kleinere diameter nemen de concentraties toe naarmate we overgaan van het scenario met gesloten ramen met geactiveerde ventilatie en luchtrecirculatie naar het scenario met halfopen ramen. Het voertuigtype lijkt de concentratie van PMs, van welke diameter dan ook, in de cabine te beïnvloeden. De verkennende poging om de concentratie van een gassen in de cabine te voorspellen, resulteerde in de ontwikkeling van lineaire meervoudige regressiemodellen. Afhankelijk van de verontreiniging stof en het ventilatiescenario varieerden de waarden van de aangepaste R2 van 54% tot 70%.