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Unesco-Dekade

Entwicklung, Bau und Vertrieb des Messgerätes Luftikus

 

Gliederung dieser Seite

1. Der Notstand: Dicke Luft im Klassenraum
1.1 Physikalische Hintergründe
1.2 Messungen im Klassenraum
1.3 Entwicklung von Luftikus

2. Die Lösung: Gute Luft dank Luftikus
2.1.1 Leistungsmerkmale Luftikus
2.1.2 Prinzipskizze Luftikus
2.1.3 Technische Daten
2.2 Herstellung in der Schülerfirma
2.3 Messergebnisse
2.4 Bestellung und Preis
2.5 Perspektiven

3. Vorstellung der Firma
3.1 Mitarbeiter/innen Schuljahr 2009/2010
3.2 Die Geschichte der Schülerfirma

Anlagen

von der PUPIL@WORK Schüleraktienfirma an der Karl-Lehr-Realschule Duisburg

luftikus
Luftikus 2010

Die Schülerfirma PUPIL@WORK entwickelt und baut Messgeräte, die das Energiesparen erleichtern und das Lernen an der Schule verbessern. Unsere Arbeit möchten wir Ihnen in der folgenden Projektskizze vorstellen. Der hier beschriebene Messgerät Luftikus wurde in der Schülerfirma entwickelt und > es wird dort inzwischen auch von Schülern eines WP-Kurses gebaut. Oftmals reicht unsere Zeit im Unterricht nicht aus, wir treffen uns dann mit unserem Lehrer auch außerhalb der Schulzeit, um die Arbeit zu erledigen oder die Messgeräte zu präsentieren. Luftikus sorgt dafür, dass die Luft im Klassenraum besser wird und so die Schüler erfolgreicher lernen können. Dank Luftikus erhalten die Schüler und Lehrer Auskunft über die Luftqualität und sie können auch beobachten, wie man am effektivsten frische Luft in den Klassenraum bekommt (energiesparende Stoßlüftung).

Wir würden uns freuen, wenn Ihnen unsere Arbeit gefällt und Sie ebenfalls ein Freund des Luftikus werden. Vielen Dank für Ihr Interesse.

Milena Krahe, Geschäftsführerin

1. Der Notstand: Dicke Luft im Klassenraum

Wer einen Klassenraum statt zu Unterrichtsbeginn gegen Ende einer Unterrichtsstunde betritt, der stellt überrascht fest, wie schlecht die Luft im Klassenraum ist. Im Klassenraum fällt es keinem auf, wie die Luft im Verlaufe einer Stunde immer schlechter wird. Wenn man aber anstatt mit Frischluft schlagartig mit der Luft im Klassenraum nach einer Unterrichtsstunde konfrontiert wird, dann weiß man sofort, dass da Handlungsbedarf besteht.

Was ist da während der Unterrichtsstunde passiert?

1.1 Physikalische Hintergründe

Die Luft in einem Klassenraum ist schnell verbraucht. Verbraucht, das heißt, in der Luft reichern sich Stoffe an, die für die Nutzer des Raumes ab einer bestimmten Konzentration problematisch sind.

Wasserdampf

Der Mensch atmet Wasserdampf aus. Der Wasserdampf wird von der Luft aufgenommen, so dass sich die Konzentration in der Klassenraumluft erhöht. Bei 20°C und 50 % rel. Luftfeuchtigkeit enthält die Klassenraumluft zu Beginn der Unterrichtsstunde 8 g Wasserdampf pro kg Luft. 25 Schüler geben in 45 Minuten 1875 g Wasserdampf ab, in einem Klassenraum mit 60 m² und 3 m Höhe erhöht sich die Wasserdampfkonzentration auf 16 g/kg Luft, die relative Luftfeuchtigkeit würde sich auf 100 % erhöhen, wenn nicht gleichzeitig ein Teil des Wasserdampfes von den im Raum befindlichen Oberflächen aufgenommen würde. Die Aufnahmefähigkeit richtet sich nach den Oberflächenmaterialien. Unbehandeltes Holz nimmt z.B. sehr gut Wasserdampf auf, dampfdichte Anstriche verhindern Feuchtigkeitsaufnahme. An der Modellrechnung wird deutlich, wie wichtig es ist, Wasserdampf aufnehmende Oberflächen im Raum zu haben. Wenn die rel. Luftfeuchtigkeit im Raum über 75 % steigt, dann empfindet man das Raumklima als schwül.

Übrigens: Die Oberflächen, die überschüssige Luftfeuchtigkeit aufnehmen, geben sie natürlich wieder an die Raumluft ab, wenn die Luft trockener wird. Die Oberflächen haben damit eine feuchtigkeitsregulierende Wirkung.

Gerüche

Jeder Mensch gibt Gerüche ab, die auch die Raumluft belasten. Wenn die Belastung mit unangenehmen Gerüchen sehr groß wird, dann sprechen wir von Gestank oder auch dicke Luft, wenn es sich um wohltuende Gerüche handelt, dann nehmen wir das positiv auf. Die Beurteilung von Gerüchen ist allerdings zum Teil auch subjektiv.

Kohlendioxid

Der Mensch atmet Kohlendioxid aus, die aus dem Aufenthaltsbereich entfernt werden muss. Die Menge an Kohlendioxid richtet sich nach der Aktivität des Menschen. Die ausgeatmete Luft enthält ca. 4 Volumenprozent CO2, das entspricht einer Kohlendioxidmenge von 18 – 20 l/h Pers. Da das ausgeatmete Kohlendioxid im Gegensatz zum Wasserdampf nicht von Oberflächen aufgenommen wird, reichert es sich vollständig in der Raumluft an und bewirkt dort im Verlaufe einer Unterrichtsstunde einen Anstieg von 400 ppm auf 2.000 – 2.500 ppm. Damit ist man von guter Luft natürlich weit entfernt, in der Lüftungstechnik gilt eine Konzentration von 1.500 ppm als Grenzwert.
Damit ist das Problem der dicken Luft im Klassenraum erklärt und wir können uns darum kümmern, es zu lösen.

1.2 Messungen im Klassenraum

Warum Messwerte aus dem Klassenraum?

Ziel des Energiesparprojektes ist es, den Umgang mit Energie und Wasser zu verbessern. Durch die Raumlufttemperaturmessungen ist es möglich, die Heizungsregelung zu optimieren.

alter luftikus
Vorläufermodell Luftikus mit 4 anzeigenden und erfassenden Messgeräten für Temperatur, Feuchte, Licht und Kohlendioxidkonzentration
Anhand der erfassten Temperaturen kann man beurteilen, ob ein Raum zu warm, zu kalt oder optimal beheizt wird. Im Falle einer Abweichung vom Idealverlauf erfolgt eine Rückmeldung an den Hausmeister, der dann für eine verbesserte Heizungseinstellung sorgt. Durch die zusätzliche Erfassung der Luftqualität soll zukünftig auch das Lüftungsverhalten optimiert werden. Das Lüften liegt ausschließlich in der Verantwortung der Schüler und Lehrer, d.h. hier können die Nutzer direkt für eine Optimierung sorgen, wenn sie anhand der Messwerte Anhaltspunkte für ein ungünstiges Lüftungsverhalten haben. Mit dem Ziel, auch die Luft im Klassenraum zu verbessern, wurde der Vorläufer des Luftikus aus mehreren Messgeräten zusammengesetzt.

Es wurden auch Versuche mit einer Lüftungsampel des ecoteams gemacht:

ampel

Mit einer weiteren Lüftungsampel wurden im Energiesparprojekt Messungen durchgeführt. Das Messgerät konnte zwar den Verlauf der Luftverschlechterung aufzeichnen, war aber in der zeitlichen Erfassung sehr ungenau und der Piepston bei Überschreitung der jeweils eingestellten Schwellenwerte ließ sich nicht abstellen, was in einigen Fällen als unterrichtsstörend empfunden wurde.

Lüftungsampel der Fa. Dittrich mit Aufzeichnungsfunktion und akustischem
Warnsignal:

luft

Zusammenfassend kann man sagen, dass es zwar Messgeräte zur Beobachtung der verschiedenen Parameter im Klassenraum gab, diese aber noch nicht in jeder Beziehung zufriedenstellend arbeiteten.

4 messungen
Übersichtsanzeige aller 4 Messgrößen
Ein Manko auch des Schülerdatenloggers ist, dass die Messwerte nicht direkt , sondern erst nach Datenübertragung an einen Computer grafisch dargestellt werden können. Da die Messgeräte auch in Grundschulen eingesetzt werden sollen, wo die direkte Darstellung eine besondere Erleichterung wäre, ergaben sich für den neu zu entwickelnden Luftikus folgende Anforderungen:

1.3 Entwicklung von Luftikus

Ergänzend zum erfolgreich eingesetzten Temperaturdatenlogger in den beiden Ausführungen Raumtemperatur- und Oberflächentemperaturerfassung sollte ein Datenlogger gebaut werden, der die Luftqualität erfasst und der vor allem seine Messergebnisse direkt anzeigt. In Kooperation mit der Projektbetreuung wurde festgelegt, was das neue Messgerät können sollte. Als vorläufiger Name wurde Luftikus gewählt.

Anforderungsprofil Luftikus

Das neue Messgerät sollte folgende physikalischen Größen erfassen:

Die Messwerte sollten erfasst, abgespeichert und auf einem Display angezeigt werden können.
Aus der Grundkonzeption des Schülerdatenloggers sollte das neue Messgerät entwickelt werden. Als Problempunkt war die Messung der Luftqualität (Kohlendioxidkonzentration) bekannt. Die dafür bisher im Projekt eingesetzten Messgeräte wiesen verschiedene Schwachstellen auf, insbesondere war die Reproduzierbarkeit und Verlässlichkeit der Messung unbefriedigend. Der Luftikus sollte im Rahmen der Erfolgskontrolle und zur Sensibilisierung an den Energiesparschulen eingesetzt werden. Es hat sich gezeigt, dass die zeitnahe Auswertung der Daten bzw. die direkte Visualisierung für den universellen Einsatz an Schulen von zentraler Bedeutung ist. Die Anforderung, das Messgerät dezentral an jedem Ort der Schule einsetzen zu können, erfordert eine autarke Energieversorgung. Der Logger erhält deshalb einen wiederaufladbaren Akku. Ein Mikrocontroller steuert die Messung der verschiedenen Sensoren und die Abspeicherung und die digitale bzw. grafische Anzeige auf dem Display.

2. Die Lösung: Gute Luft dank Luftikus

Es hat sich bewährt, komplexe Zusammenhänge durch anschauliche Messungen nachvollziehbar zu machen. Die Schüler nehmen die zunehmende Luftverschlechterung während einer Unterrichtsstunde nicht wahr, weil sie schleichend erfolgt. Ein entsprechendes Messgerät mit einer digitalen und möglicherweise auch ergänzenden optischen Anzeige würde dies ändern. Wir können davon ausgehen, dass durch die Kenntnis der Luftqualität zukünftig gezielt und effektiv gelüftet wird.

2.1 Technische Beschreibung des Messgerätes

Ähnlich wie der Schülerdatenlogger zur Aufzeichnung von Raumlufttemperatur und Lichtstärke benötigt der Luftikus auch einen Microprocessor, der alle Vorgänge steuert.

platine
Platine Luftikus mit den Lötverbindungen zwischen den Bauteilen

 


anzeige

Einzelanzeige der relativen Luftfeuchtigkeit

grafik
Einzelanzeige des grafischen Verlaufs
Es werden folgende Bauteile benötigt:

2.1.1 Leistungsmerkmale Luftikus

Messung und Speicherung

Luftikus misst im Minutentakt alle 4 Messgrößen und speichert sie in einer Textdatei ab. Er prüft dabei, ob für die CO2-Konzentration die Schwellenwerte 1.000 ppm und 1.500 ppm überschritten werden, solange sich die Messwerte unterhalb von 1.000 ppm bewegen, leuchtet eine grüne LED auf, bei Überschreitung von 1.000 ppm leuchtet eine gelbe und ab 1.500 ppm eine rote LED auf. Der Speicher kann 128.000 Messwerte aufnehmen. Die Aufzeichnung wird bei vollem Speicher gestoppt, damit keine Messwerte verloren gehen.

Anzeigefunktionen

Per Knopfdruck kann der Nutzer auswählen, welche Messgröße gerade digital angezeigt werden soll. Es ist dabei auch möglich, alle 4 Messgrößen zusammen anzuzeigen. Bei Bedarf lässt sich jede Messgröße auch grafisch über die Zeit darstellen, es kann dann auch die Historie bis zum Beginn der Messungen zurückverfolgt werden.

Grafische Darstellung

Luftikus erzeugt aus den Messwerten Kurvenverläufe, die die Entwicklung für die letzten 1,5 Stunden wiedergeben. Bei Bedarf kann man im 30 Minutenraster auch ältere Messdaten noch ansehen. Ergänzend werden zu den Kurvenverläufen noch die Maxima, Minima und der aktuelle Messwert digital eingeblendet.

Stromversorgung

Der Lithiumionen-Akku versorgt das Messgerät bei laufender Messung bis zu 4 Tage lang, danach muss der Akku wieder am Netz aufgeladen werden (solare Aufladung ist möglich). Die Aufladung dauert 2-3 Stunden. Die aktuelle Spannung des Akkus ist abrufbar, der Ladezustand des Akkus wird permanent im Display angezeigt.

Datenauslesung

Über eine USB-Schnittstelle lassen sich die gespeicherten Daten mittels einer einfachen Software auf den Computer übertragen. Sie sind dann direkt in eine Tabellenkalkulation einlesbar und dort beliebig grafisch darstellbar.

Konfiguration

Nach der Erstkonfiguration ist allenfalls noch ein Reset bei längerem Stromausfall notwendig. Ansonsten lässt sich der Luftikus per Knopfdruck ein- und ausschalten.

2.1.2 Prinzipskizze Luftikus

Funktionen:

Elektronische Komponenten des Datenloggers: komponenten

Die oben abgebildete Platine wird in einem eigens angeschafften Reflow-Ofen in der Schülerfirma hergestellt. Später sind dann nur noch die bedrahteten elektronischen Bauteile anzulöten.

 

ofen

Der CO2-Sensor ist eine Neuentwicklung aus der Industrie. Der Sensor zeichnet sich dadurch aus, dass er sich regelmäßig selbst kalibriert und deshalb sehr genaue Messwerte liefert. Es handelt sich um ein High-Tec-Produkt, welches als fertiges Messmodul mit eigenständiger Platine von der Schülerfirma eingekauft wird.

platine
CO2-Sensor mit zugehöriger Platine (bereits mit Luftikus verschraubt)

2.1.3 Technische Daten

Datenlogger Funktionen Eigenschaften
  Messbereich: -40°C - +80°C
  Messtakt: 1 Minute
  Spannungsversorgung: 7,2 V Li-Ion Akku
  Stromverbrauch: ca. 10 mA
  Messdauer mit Akku: Max. 4 Tage
  Messsensoren:  
  Temperatur: digital
  Messgenauigkeit: +/- 0,3°C
  Feuchte: digital
  Messgenauigkeit: +/- 0,5 %
  Lichtsensor: LDR
  CO2: digital
  Messgenauigkeit: +/- 10 ppm
  Speicherkapazität: 128.000 Byte
  Echtzeituhr Genauigkeit 11 PPM (Fehler max.: 1 Sekunde pro Tag)
Transferkabel    
  USB-Schnittstelle: 115200 Baud

2.2 Herstellung in der Schülerfirma

Die Arbeitszeit der Schüler in der Schülerfirma ist auf 2 Stunden pro Woche beschränkt, denn der Wahlpflichtkurs findet nur in einer Doppelstunde statt. Gleichzeitig wechselt die Belegschaft stetig, die älteren Schüler verlassen die Schule und jüngere kommen neu hinzu. Das bedeutet immer wieder Einarbeitung in die praktischen Arbeiten und Abläufe der Schülerfirma. Natürlich wird ständig über Rationalisierungsmöglichkeiten bei der Herstellung der Logger nachgedacht. Im letzten Jahr ist noch ein programmierbares Lauflicht aus LED’s hinzugekommen, welches Werbeanzeigen ermöglicht.

platine
ofen
Schüler beim Löten eines Transceivers für den Datenlogger
Reflow-Ofen für die Herstellung von Platinen
Die Platine des Luftikus wird in der Schülerfirma von den Schülern selber hergestellt:

platine

gruppe
Bestückung der Platinen vor dem Lötvorgang
Teamwork bei der Platinenvorbereitung

platine

platine
Auftragen der Lötpaste auf die Platine
Lötstation (Hier wird gerade an einem Lauflicht gelötet.)
In der Schülerfirma bemühen wir uns um ein gutes Arbeitsklima. In der Regel wird in festen Kleingruppen gearbeitet, die spezielle Aufgaben zu bewältigen haben.
einweisung
einweisung
Einweisung in praktische Arbeiten
Kleingruppe bei der Erarbeitung der physikalischen Grundlagen der Lüftung

2.3 Messergebnisse

Erste Messungen mit Luftikus sind vielversprechend. Die erfassten Daten sind plausibel und die gewünschten Funktionen verfügbar. messungenAuswirkungen der Aufzeichnungen

Das direkte Ablesen der CO2-Konzenration ermöglicht ein kontrolliertes Handeln beim Lüften. Man erkennt, wann es Zeit wird zu lüften, wie lange und wie intensiv man lüften muss. Luftikus bringt Fehlverhalten beim Lüften an den Tag, er kontrolliert dabei gleichzeitig die Raumtemperierung.

2.4 Bestellung und Preis

Der Luftikus kostet 750,00 EUR (incl. Versand, MWST-frei).

Die Bestellung erfolgt direkt bei der der PUPIL@WORK Schüleraktienfirma an der Karl-Lehr-Realschule Duisburg, Wacholderstr. 12, 47055 Duisburg.

2.5 Perspektiven

Die Schülerfirma kann sich mit ihren beiden Produkten sehr gut am Markt behaupten. Der Schülerdatenlogger ist technisch ausgereift und arbeitet sehr zuverlässig. Nach weiterer Rationalisierung der Fertigung soll auch in der Region um Duisburg Werbung für den Logger gemacht werden. Mit Luftikus bringt die Schülerfirma ein Spezialmessgerät auf den Markt, von dem wir nicht wissen, wie oft es bestellt werden wird. Durch den hohen Preis von 750 EUR wird es sicherlich keine Massenware werden, aber man kann doch davon ausgehen, dass in den nächsten 2 Jahren 10-20 Stück verkauft werden. Für eine Schülerfirma wäre das ein beachtlicher Umsatz. Das öffentliche Interesse an Raumluftqualität ist sehr groß und wir glauben, dass mindestens jede größere Stadt im Umkreis von 200 km potenzieller Kunde ist. Damit hat der Schülerdatenlogger nun einen attraktiven Partner gefunden.

Luftikus

datenlogger

Luftikus 2010 Schülerdatenlogger Version 3.0

 

3. Vorstellung der Firma

3.1 Mitarbeiter/innen Schuljahr 2009/2010

Die Schülerfirma findet einmal wöchentlich im Rahmen des Wahlpflichtfaches Technik statt. In diesem Schuljahr haben sich 15 Schüler/innen für die Mitarbeit in der Schülerfirma angemeldet. pupil@workHintere Reihe:
Matthias Schmitz, Hüseyin Canakci, Marcel Koslowski, Andreas Weiser, Dominik Notz, Patrick Lange, Julia Thamm
Vordere Reihe:
Pascal Klingels, Sandra Wienke, Milena Krahe (Geschäftsführerin), Sabrina Landwehr, Ina Van de Wetering, Sarah Tübee, Jennifer Zimmerman, Rebecca Krutz (fehlend)

3.2 Die Geschichte der Schülerfirma

Datum Was
2003 Start des Energiesparprojektes ESPADU in Duisburg
2003 Entwicklung einer Software zur Simulation einer solargestützten Heizung mit Warmwasserbereitung
Herbst 2003 Idee zur Entwicklung eines Temperaturdatenloggers zur Raum- und Heizkreisüberwachung in Schulen
2004 Entwicklung der 1. Loggerversion
Auszeichnung von Herrn Weiser mit der Umwelt-Ehrennadel der Stadt Duisburg
2005 Entwicklung der 2. Loggerversion und Entscheidung zur Gründung einer Schüleraktienfirma
1.7.2005

Gründung der Schülerfirma mit dem Namen PUPIL@WORK und Aufbau der Loggerproduktion
aktie

 
31.5.2006

1. Aktionärsversammlung
vollversammlung

 
2007 Umstellung des Schülerdatenloggers auf Platinenfertigung, Bestellung von 100 Platinen, auf die dann nur noch die Sensoren, die Batteriehalterung, die Uhr und die Schnittstelle aufgelötet werden müssen.
Teilnahme an der ecotec in Essen
messe
 
2008 Serienproduktion Schülerdatenlogger, eigene Messungen, Entwicklung und Herstellung von programmierbaren Lauflichtern
led
Auszeichnung mit dem Ehrenpreis des Bürgervereins Wanheimer Ort
 
Jan-März 2009 Entwicklung einer Grundkonzeption für Luftikus und Sichtung
geeigneter Sensoren
 
März-Juni 2009 Bau des Prototypen Luftikus  
Sept.-Okt. 2009 Testphase Luftikus und Designstudie  
Okt. 09 – März 10 Bau von 5 Prototypen  
Ab 2010 Serienfertigung nach personellen und zeitlichen Kapazitäten  

 

Anlagen

Kurvenverläufe CO2kurve
Erläuterung Begehung Marienschule:
In mehreren Klassen war das CO2-Konzentrationsniveau oberhalb von 2.000 ppm, selbst in den Flurbereichen lag die CO2-Konzentration in dieser Höhe. Die Schule hatte keine akzeptable Lüftungsstrategie, die Nutzer waren über das Messergebnis sehr überrascht.

kurve
Erläuterung Schülerfirma:
Die CO2-Konzentration bleibt unterhalb von 1.000 ppm, in regelmäßigen Abständen wird stoßgelüftet. Der angegebene Maxwert bezieht sich auf Messwerte außerhalb.

 

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