Entwicklung einer low-cost Messstation für urbane Hitzeinseln inkl. automatischer Datenübertragung
Creators: name: Moser, Simon
name: Spring, Lucas
Publisher: name: ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
Year: 2021
Subjects: 600: Technik

description: Urbane Hitzeinseln sind städtische Gebiete, die sich stärker erwärmen als ihr Umland. Die höheren Temperaturen bringen in den Städten eine Reihe von schwerwiegenden gesundheitlichen und wirtschaftlichen Problemen mit sich, von welchen immer mehr Menschen betroffen sein werden. Forschende auf der ganzen Welt versuchen, die genauen Ursachen und den exakten Nutzen von Gegenmassnahmen zu quantifizieren. Eine wichtige Grundlage dieser Untersuchungen ist die Messung der Temperaturverteilung in Städten. Am exaktesten kann diese mittels einer Vielzahl von Messstationen, die auf dem ganzen Stadtgebiet verteilt sind, erfasst werden. Da Messstationen teuer sind, ist es schwierig, ein dichtes Messnetz zu etablieren, weshalb oft nur über kurze Zeit oder mit zu wenigen Messpunkten gemessen werden kann. Zudem weisen gängige Stationen meist einen zu hohen Strahlungsfehler auf oder benötigen zum dauerhaften Betrieb eines Ventilators einen Netzanschluss.

Das Ziel dieser Bachelorarbeit war die Entwicklung einer Messstation, welche die Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit exakt erfasst, die Messwerte automatisch und drahtlos übermittelt und weniger als Fr. 100.- kostet. Die Messstation soll mindestens ein Jahr ohne externe Energieversorgung betrieben werden können. Dies erforderte die Entwicklung eines Strahlenschutzgehäuses, von Mess- und Funkelektronik und von Steuerungssoftware. Zudem wurde eine Kostenschätzung für eine Serienproduktion der Messstation unternommen.

Basierend auf Recherchen zu meteorologischen Messmethoden und Strahlenschutzgehäusen wurden Bauteile, Baumaterialien, elektronische Komponenten und Fertigungsverfahren evaluiert und getestet. Die ausgewählte Sensorik und Elektronik wurde miniaturisiert und in den Gehäuseprototypen, der aus 3D-Druck- und Blechteilen besteht, eingebaut. LoRaWAN wurde als Funkstandard ausgewählt und seine Funktionalität getestet. Zudem wurde die Software für die Messstation und einen Server, welcher die empfangenen Messdaten auswertet, entwickelt. Mittels einer einfachen physikalischen Modellbildung, verschiedenen Versuchen und nichtlinearen Ausgleichsrechnungen wurde zudem ein Extrapolationsalgorithmus etabliert, welcher exakte Messungen bei geringem Energieverbrauch ermöglicht.

Aus der Arbeit resultieren zwei Prototypen, welche automatisch Messwerte sammeln und übermitteln. Die Messstation weist auch bei starker Sonneneinstrahlung eine Messgenauigkeit von 1K auf. In der Testphase wiesen die Prototypen im Vergleich mit einer Referenzstation in 93.5% der Fälle eine Abweichung von weniger als ±0.5K auf. Die Messgenauigkeit der relativen Luftfeuchtigkeit betrug ±3%RH. Zudem wurden Kostenschätzungen für die Produktion von 100, 500 und 1000 Messstationen erstellt. Der Materialpreis bei 1000 Stück liegt bei Fr. 131.- pro Messstation.

Obwohl das geforderte Kostendach nicht eingehalten werden konnte, resultieren eine Vielzahl von wichtigen Erkenntnissen aus dieser Arbeit. Im Ausblick werden zudem mögliche Untersuchungen und Anpassungen, welche die Messstation bezüglich Kosten, Energieeffizienz und Messgenauigkeit weiter optimieren könnten, diskutiert. Mit dieser Arbeit konnte ein wichtiger Beitrag zur besseren Untersuchung des urbanen Hitzeinseleffekts geleistet werden.