Validierung und Verifikation von elektrochemischen Sensoren eines mobilen Luftqualitätsmessgerätes zur Bestimmung von Stickoxiden in hochbelasteter Tunnelabluft

Trilk, Fabio; Lichtenberg, Nils; Garcia Hernandez, Alvaro

doi:10.18154/RWTH-2025-10631

Validierung und Verifikation von elektrochemischen Sensoren eines mobilen Luftqualitätsmessgerätes zur Bestimmung von Stickoxiden in hochbelasteter Tunnelabluft = Validation and verification of electrochemical sensors of a mobile air quality measuring device for the determination of nitrogen oxides in highly polluted tunnel exhaust air

Trilk, Fabio^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Fabio Trilk

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Masterarbeit, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Garcia Hernandez, Alvaro (Thesis advisor)^RWTH* ; Lichtenberg, Nils (Consultant)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-05-31

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-10631
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1023348/files/1023348.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Straßenwesen (313410)

Projekte

EmBaLu – Emissionsbasierte Lüftungssteuerung zur Einsparung von Betriebskosten in Straßentunneln (19F1160A) (19F1160A)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Einhorntunnel (frei) ; EmBaLu, FE 19F1160A (frei) ; Lüftung, AQMesh (frei) ; Stickoxide (frei) ; Tunnel (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Das Forschungsprojekt EmBaLu der RWTH Aachen erforscht die emissionsbasierte Lüftungssteuerung von Tunneln anhand von Echtzeit-Schadstoffmessungen. Zusätzlich zu den bereits installierten Schadstoffmessgeräten für Kohlenmonoxid und Feinstaub sollen Messgeräte für Stickoxide angebracht werden. Um diesen Schritt bei zukünftiger Anwendung in anderen Tunneln zu umgehen, soll überprüft werden, ob eine Korrelation zwischen der Kohlenstoffmonoxidkonzentration und der Stickoxidkonzentration besteht, die für eine Stickoxidkonzentrationsapproximation genutzt werden könnte. Durch diese Innovation der Lüftungssteuerung soll Energie und die entsprechenden Kosten eingespart werden. Der Einhorn-Tunnel, ein Landstraßentunnel in Schwäbisch Gmünd, dient dem Forschungsprojekt als Versuchsstandort. Mittels einer Analyse der dort herrschenden Umgebungsbedingungen, sollen in dieser Arbeit passende Messgeräte ausgewählt, verifiziert und validiert werden. Bei der Auswahl des Messgerätes ist das AQMesh-Messgerät von Environmental Instruments Ltd ausgewählt worden, da nur dieses alle Anforderungen an Abmaße, Akkulaufzeit und gemessene Schadstoffe erfüllt. Während die Verifizierung anhand der technischen Spezifikationen der AQMesh-Messgeräte abgehandelt werden konnte, so ist für die Validierung eine achtwöchige Messkampagne, mit einer Kalibrierung nach der Hälfte des Zeitraumes, an einer geeichten Referenzstation des Landes Nordrhein-Westfalen durchgeführt worden. Drei AQMesh-Messgeräte sind straßenseitig an der Oberseite der Messstation angebracht worden, die an einer Hauptstraße in Aachen steht. Mittels Validierungskriterien wie Richtigkeit und Präzision ist die Performance der AQMesh-Messgeräte analysiert und bewertet worden. Die Analyse der Messergebnisse hat starke Performanceschwankungen aller Pods bezüglich der Streuung und der Abweichung ergeben. Hinsichtlich der Streuung konnten die von Environmental Instruments Ltd gestellten Qualitätsanforderungen in einigen Wochen nicht erreicht werden. Die Abweichung der Messwerte der AQMesh-Messgeräte zu den wahren Messwerten der Referenzstation lag während der gesamten Messperiode zwischen 20 % und 25 %. Mit der hohen Streuung und der genannten Abweichung ist fraglich, ob qualitativ hochwertige Messwerte im Einhorn-Tunnel generiert werden können, die als Indikator der emissionsbasierten Lüftungssteuerung dienen könnten. Bezüglich der Konzentrationsapproximation ist ein mittlerer direkter linearer Zusammenhang zwischen Kohlenmonoxid und allen Varianten von Stickoxiden festgestellt worden. Sollte sich seitens der Projektbeteiligten trotz der Abweichung und Streuung für die Benutzung der AQMesh-Messgeräte im Einhorn-Tunnel entschieden werden, sollte NOx als Indikator zur Steuerung der Tunnelbelüftung ausgewählt werden. Die NOx-Messungen besaßen während der Messkampagne im Durchschnitt die geringsten Abweichungen, die höchsten R2-Werte und den höchsten Korrelationskoeffizienten mit der CO-Konzentration. Außerdem sollte Environmental Instruments Ltd bezüglich der zu ungenauen Messungen informiert werden. In enger Zusammenarbeit sollte versucht werden, die Performance der AQMesh-Messgeräte zu verbessern.

The research project EmBaLu at RWTH Aachen University investigates emission-based ventilation control for tunnels using real-time pollutant measurements. In addition to the already installed pollutant measuring devices for carbon monoxide and particulate matter, devices for nitrogen oxides are to be installed. To bypass this step in future applications in other tunnels, the project aims to determine whether a correlation exists between carbon monoxide concentration and nitrogen oxide concentration that could be used for nitrogen oxide concentration approximation. This innovation in ventilation control aims to save energy and the associated costs. The Einhorn-Tunnel, a road tunnel in Schwäbisch Gmünd, serves as the experimental site for the research project. By analyzing the prevailing environmental conditions there, suitable measuring devices are to be selected, verified, and validated in this work. The AQMesh device from Environmental Instruments Ltd was chosen as the measuring device, as it is the only one that meets all requirements for dimensions, battery life, and measured pollutants. While the verification was addressed based on the technical specifications of the AQMesh devices, validation involved an eight-week measurement campaign with a mid-period calibration at a calibrated reference station in North Rhine-Westphalia. Three AQMesh devices were mounted roadside at the top of the measuring station, located on a main road in Aachen. The performance of the AQMesh devices was analyzed and evaluated using validation criteria such as accuracy and precision. The analysis of the measurement results revealed significant performance fluctuations of all pods concerning scatter and deviation. In some weeks, the quality requirements set by Environmental Instruments Ltd regarding scatter were not met. The deviation of the AQMesh device measurements from the true values of the reference station ranged between 20 % and 25 % throughout the measurement period. Given the high scatter and the forementioned deviation, it is questionable whether high-quality measurements can be generated in the Einhorn-Tunnel to serve as indicators for emission-based ventilation control. Regarding the concentration approximation, a moderate direct linear relationship between carbon monoxide and all variants of nitrogen oxides was observed. If the project participants decide to use the AQMesh devices in the Einhorn-Tunnel despite the deviation and scatter, NOx should be selected as the indicator for tunnel ventilation control. During the measurement campaign, NOx measurements exhibited the lowest average deviations, the highest R2 values and the highest correlation coefficient with CO concentration. Additionally, Environmental Instruments Ltd should be informed about the inaccurate measurements. Efforts should be made in close collaboration to improve the performance of the AQMesh devices.

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