Niskokosztowe czujniki jakości powietrza

Czujniki niskokosztowe to potoczna nazwa urządzeń do pomiarów jakości powietrza, które są dostępne komercyjnie i z uwagi na relatywnie niską cenę cieszą się dużą popularnością nawet wśród osób prywatnych. Ich niski koszt wynika z zastosowania niereferencyjnych metod pomiaru zanieczyszczeń powietrza, a dodatkową zaletą jest niewielki rozmiar urządzenia czy też dostępność danych pomiarowych w dedykowanej aplikacji na telefon.

Największe sieci

Na terenie kraju funkcjonuje kilka firm zajmujących się produkcją i sprzedażą niskokosztowych czujników (ang. low-cost sensor) do pomiarów jakości powietrza. Sieci są już na tyle rozwinięte, że posiadają własne portale z mapami jakości powietrza. Niektóre z firm oprócz sprzedaży detalicznej „dla każdego” rozpoczęły budowanie sieci pomiarowych dla jednostek samorządu terytorialnego. Czujniki niskokosztowe zyskują na popularności przede wszystkim z uwagi na – jak sama nazwa wskazuje – cenę. Tam, gdzie nie ma zlokalizowanego urządzenia pomiarowego Głównego Inspektoratu Ochrony Środowiska (GIOŚ), społeczeństwo doposaża się w takie właśnie czujniki.

Airly

Firma Airly posiada w Polsce sieć sensorów, która liczy ponad 4000 urządzeń. Sensory Airly mierzą cząstki stałe (PM₁, PM_2,5, PM₁₀) oraz gazy (NO₂, O₃, SO₂ i CO). Sensory mierzą stężenie cząstek stałych, korzystając z technologii laserowej. W przypadku zanieczyszczeń gazowych jedno urządzenie jest w stanie zmierzyć dwa związki chemiczne metodą analizy elektrochemicznej. Odczyty są pobierane z dwóch ogniw zainstalowanych w module gazowym sensora. Każdy sensor wyposażono w specjalną kontrolkę zmieniającą kolory diody zależnie od jakości powietrza zgodnie ze skalą kolorystyczną CAQI. Oficjalnie indeks ten posiada 5 poziomów, które przedstawione są w skali od 0 (bardzo niski) do >100 (bardzo wysoki) – jest to względna miara ilości zanieczyszczeń powietrza. W Airly, podając indeks CAQI, brane są pod uwagę pyły PM₁₀ oraz PM_2,5. Poniżej znajduje się mapa z lokalizacjami czujników Airly (rysunek 1).

Rysunek 1. Mapa czujników Airly w Polsce

LookO2

Sieć LookO2 obejmuje obecnie ok. 640 czujników jakości powietrza. W ofercie firmy znajdują się pojedyncze czujniki, jak i stacje pomiarowe. Marka ma w swojej ofercie jeden wewnętrzny miernik smogu oraz kilka czujników zewnętrznych. Urządzenia wykorzystują laserowy pomiar stężenia pyłów PM₁, PM_2,5 i PM₁₀. Mogą być też wyposażone w miernik formaldehydu. Poniżej znajduje się mapa z lokalizacjami czujników tej firmy na terenie Polski (rysunek 2).

Rysunek 2. Mapa czujników LookO2 w Polsce

Luftdaten

Luftdaten to projekt obywatelski zainicjowany w 2015 roku w niemieckim Stuttgarcie. Początkowo sieć czujników miała charakter lokalny, ale z upływem czasu zmieniła się w sieć ogólnokrajową, a potem rozprzestrzeniła także poza granicami Niemiec. W Polsce znajduje się obecnie 920 sensorów Luftdaten. Sensor laserowy SDS011 umożliwia monitorowanie stężenia pyłu PM_2,5 i PM₁₀. Poniżej znajduje się mapa z lokalizacjami czujników tej firmy, jak i stacji pomiarowych GIOŚ na terenie Polski (rysunek 3).

Rysunek 3. Mapa jakości powietrza Luftdaten

SmogTok

Projekt SmogTok narodził się w Wawrze, dzielnicy Warszawy, gdzie dominuje zabudowa jednorodzinna z dużą liczbą domów ogrzewanych . Na ten moment (31.01.2021 r.) w sieci znajduje się ponad 260 aktywnych czujników (wewnętrznych i zewnętrznych). Wszystkie dostępne obecnie czujniki mierzą te same parametry: pyły zawieszone PM_2,5 i PM₁₀, temperaturę, wilgotność i ciśnienie powietrza. Poniżej znajduje się mapa z lokalizacjami czujników tej firmy na terenie Polski (rysunek 4).

Rysunek 4. Mapa jakości powietrza SmogTok

Syngeos

Syngeos to firma z siedzibą w Katowicach oferująca stację pomiarową, która monitoruje: stężenie pyłów zawieszonych PM_2,5, PM₁₀ oraz opcjonalnie także innych zanieczyszczeń, takich jak tlenek węgla, dwutlenek azotu, dwutlenek siarki i benzen. Dodatkowo firma oferuje pyłomierz osobisty DustAir na licencji Głównego Instytutu Górnictwa. Poniżej znajduje się mapa jakości powietrza tworzona przez Syngeos (rysunek 5).

Rysunek 5. Mapa jakości powietrza Syngeos

Rysunek 5. Mapa jakości powietrza Syngeos

Gdzie sprawdzać wyniki pomiarów

Informacje na temat pomiarów jakości powietrza z czujników niskokosztowych można w pierwszej kolejności sprawdzać na stronach samych producentów. Jeśli jednak zależy nam na kompleksowym zebraniu tych danych, to można skorzystać z takich aplikacji jak np.: Kanarek, który używa 200 oficjalnych stacji GIOŚ, 1060 Syngeos, 640 LookO2, a także 920 Luftdaten, 210 SmogTok, 140 BleBox, 50 BeskidInstruments i 60 perfect-Air.

ESA

Jedną z większych inicjatyw związanych z wykorzystaniem czujników niskokosztowych jest Edukacyjna Sieć Antysmogowa (ESA). Jest to program informacyjny na rzecz czystego powietrza realizowany przez Państwowy Instytut Badawczy NASK we współpracy z Polskim Alarmem Smogowym. Na początku 2021 roku na terenie Polski działało w sieci 461 szkół. W ramach projektu szkoły zrzeszone w sieci ESA otrzymują czujniki niskokosztowe firmy Syngeos. W zależności od wybranej konfiguracji oznaczana jest jakoś powietrza (stężenie pyłu zawieszonego PM_2,5 i PM₁₀) wewnątrz (w części szkół) oraz zawsze na zewnątrz budynku szkoły. Dane na stronie ESA są prezentowane na mapie (rysunek 6) oraz w postaci regularnie aktualizowanego rankingu szkół.

Rysunek 6. Mapa jakości powietrza na stronie ESA

Ocena jakości danych z czujników niskokosztowych

Prowadzone są liczne badania oceniające jakość danych zbieranych przez czujniki niskokosztowe. Ich wyniki można sprawdzić na poświęconych tej tematyce stronach internetowych, w publikacjach naukowych lub opracowaniach przez niezależne zespoły. Oczywiście sami producenci tych urządzeń chętnie dzielą się informacjami – czy są one certyfikowane i jakie ewentualnie przeszły testy. Należy przede wszystkim weryfikować dane dotyczące certyfikatów oraz metod, jakimi mierzone są zanieczyszczenia w takich czujnikach. Jeśli nie wykazano równoważności metody stosowanej w czujnikach niskokosztowych do metodyki referencyjnej, to nie mogą być one traktowane jako źródło wiarygodnych danych na równi z pomiarami GIOŚ.

Już w 2018 roku Krakowski Alarm Smogowy we współpracy z władzami Województwa Małopolskiego, Głównym Inspektorem Ochrony Środowiska, Akademią Górniczo-Hutniczą w Krakowie, Gminą Rabka-Zdrój i Gminą Dobczyce przeprowadził badanie czujników niskokosztowych. By wyniki badania były miarodajne, w miejscu dokonywania pomiarów Krajowe Laboratorium Referencyjne i Wzorcujące Głównego Inspektoratu Ochrony Środowiska zainstalowało profesjonalne urządzenia pomiarowe oraz poborniki pyłu w celu określenia za pomocą metody referencyjnej stężeń pyłu PM₁₀ i PM_2,5. Wyniki poszczególnych urządzeń odnoszone były więc do wyników, które są najbardziej miarodajne zgodnie z obowiązującym stanem wiedzy i dostępną technologią. Łącznie przebadano czujniki 10 firm. Jednym z wniosków badania jest, że żadne z urządzeń nie spełniło wszystkich kryteriów, które dawałyby możliwość wykorzystania ich do oceny jakości powietrza w rozumieni prawa krajowego i Unii Europejskiej. Kryteria, o których mowa to kompletność przesyłanych danych, zgodność wyników pomiędzy dwoma testowanymi urządzeniami tego samego typu oraz zgodność wyników pomiędzy badanym urządzeniem a wartościami wskazanymi przez urządzenie referencyjne. Szczegółowe wnioski i wyniki badań można znaleźć w opublikowanym raporcie.

Badań naukowych nad wykorzystaniem i jakością danych z czujników niskokosztowych powstaje coraz więcej. Tylko dla samego 2020 roku po wpisaniu w Google Scholar frazy „low-cost sensor air” wyświetla się ponad 20 tys. dostępnych źródeł. Przejrzenie takich materiałów byłoby czasochłonne, dlatego powstały projekty zbierające informacje o czujnikach w bazy danych. Są to np. AirMonTech czy AQ-SPEC.

Rozważając zakup takiego czujnika czy podejmując analizę danych z niego pochodzących, warto zastanowić się nad zaletami i wadami. Czujniki niskokosztowe mogą zadowalająco odtwarzać dynamikę zmiany stężeń zanieczyszczeń, ale surowe dane mogą być znacząco zawyżone w stosunku do danych z urządzeń wyższej klasy. Do uzyskania prawidłowych wyników czujniki takie wymagają kalibracji (pomiary porównawcze) z urządzeniami bardziej profesjonalnymi. Po wprowadzeniu współczynników korekcyjnych można uzyskać zadowalającą jakość danych, która pozwala co najmniej na jakościową ocenę warunków dotyczących jakości powietrza atmosferycznego. Ze względu na swoją specyfikę, czujniki niskokosztowe pracujące w trybie ciągłym wymagają stałego nadzoru nad ich pracą, a uzyskane wyniki należy traktować jako dane jakościowe. W przypadku pomiarów pyłu zawieszonego PM należy uwzględnić konieczność osuszania próbki powietrza (podwyższenie temperatury powyżej temperatury punktu rosy). Wybór konkretnego czujnika powinien być poprzedzony analizą tego, co chcemy mierzyć oraz w jakich zakresach stężeń. W przypadku prawidłowej eksploatacji dane z takich pomiarów stanowią istotny element systemu informowania społeczeństwa o bieżącej jakości powietrza. Pozwalają też na planowanie aktywności na świeżym powietrzu. Niewielkie rozmiary takich czujników dają możliwość instalowania ich na różnego rodzaju platformach (np. dronach).