Entwicklung, Bau und Vertrieb des Messgerätes 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.
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Vorläufermodell Luftikus mit 4 anzeigenden und erfassenden Messgeräten
für Temperatur, Feuchte, Licht und Kohlendioxidkonzentration |
Es wurden auch Versuche mit einer Lüftungsampel des ecoteams gemacht:
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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.
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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.
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Übersichtsanzeige aller 4 Messgrößen |
- exakte reproduzierbare Messung von Raumlufttemperatur, Licht, rel. Luftfeuchtigkeit und Kohlendioxidkonzentration
- Speicherung der Messwerte
- Stromnetz unabhängiger Betrieb
- Direkte Anzeige der Messwerte
- Verlaufsdarstellung bei Bedarf
- Einfache Bedienung
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:
- Raumlufttemperatur
- Lichtstärke
- Relative Luftfeuchtigkeit
- Kohlendioxidkonzentration
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.
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Platine Luftikus mit den Lötverbindungen zwischen den Bauteilen |
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Einzelanzeige der relativen Luftfeuchtigkeit |
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Einzelanzeige des grafischen Verlaufs |
- Microprocessor
- Speicher
- Uhr
- Sensor für CO2
- Sensor für rel. Luftfeuchtigkeit und Temperatur
- Lichtsensor
- Display
- Wiederaufladbarer Akku zur Stromversorgung
- USB-Schnittstelle
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:
- Automatische Messung von Temperatur, Licht, rel. Luftfeuchtigkeit und CO2-Konzentration im 1-Minutentakt
- Abspeichern der Messwerte (Speicherkapazität 128.000 Messwerte, 22 Tage)
- Echtzeituhr
- Der Datenlogger überträgt die Daten per USB-Schnittstelle an einen PC.
- Die Messdaten werden geordnet und in ein Excel lesbares Format umgewandelt.
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.
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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.
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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.
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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: | |
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Bestückung der Platinen vor dem Lötvorgang |
Teamwork bei der Platinenvorbereitung |
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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. | |
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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. 
Auswirkungen 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.
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| 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. 
Hintere 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 |
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| 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 |
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| 31.5.2006 | 1. Aktionärsversammlung |
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| 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  |
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| 2008 | Serienproduktion Schülerdatenlogger, eigene Messungen,
Entwicklung und Herstellung von programmierbaren
Lauflichtern  Auszeichnung mit dem Ehrenpreis des Bürgervereins Wanheimer Ort |
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| Jan-März 2009 | Entwicklung einer Grundkonzeption für Luftikus und Sichtung geeigneter Sensoren |
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| 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 CO2
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.
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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Letzte Änderung bzw. Überprüfung dieser Seite: 05.07.2018
Kontakt: Tilman Langner, tl@umweltschulen.de
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