Mit CO₂-Ampeln lässt sich die Luftqualität in geschlossenen Räumen überwachen. Ein System mit mehreren Sensoren, entwickelt von Informatik-Studenten, kann die Kohlendioxid-Verteilung in Hörsälen oder Klassenzimmern flächendeckend verfolgen.

Das richtige Lüften ist während der Pandemie zu einem zentralen Thema an Schulen, Hochschulen und in Büros geworden: „Intensives, fachgerechtes Lüften von Gebäudeinnenräumen bewirkt eine wirksame Abfuhr ausgeschiedener Viren und senkt damit das Infektionsrisiko in Räumen, die von mehreren Personen genutzt werden“, heißt es etwa in einer Empfehlung der Bundesregierung.

Die Konzentration des Gases Kohlenstoffdioxid in der Raumluft gilt als guter Indikator dafür, wann ein Luftaustausch stattfinden sollte. Erhöhte Werte lassen sich anhand sogenannter CO₂-Ampeln feststellen, deren zentraler Bestandteil ein Kohlendioxid-Sensor ist. Bei erhöhten Werten leuchtet ein gelbes oder rotes Lämpchen auf – eben wie bei einer Ampel.

Regelmäßige Frischluftzufuhr

Bislang werden meist einzelne CO₂-Sensoren verwendet, um die Qualität der Atemluft in einem Raum zu überwachen. Eine Gruppe von Informatik-Studenten der Universität hat nun ein System entwickelt, das die CO₂-Werte an mehreren Stellen gleichzeitig überwacht und somit ein genaueres Bild vom Zustand der Raumluft liefert. „Man kann damit zum Beispiel verfolgen, wie eine Frischluftwolke durch den Raum zieht“, sagt der Informatiker Prof. Dr. Oliver Theel.

Das Team, bestehend aus sieben Studenten der Fächer Informatik, Wirtschaftsinformatik und des Lehramts Informatik, begann im vergangenen Semester in einer von Theel geleiteten Lehrveranstaltung sozusagen bei Null und präsentierte am Ende ein voll funktionsfähiges System. Zentraler Bestandteil sind mehrere Sensoren, die die CO₂-Konzentration in kurzen zeitlichen Abständen messen und die Werte an eine sogenannte Datensenke melden. Diese von den Studenten programmierte Software speichert die Messwerte in einer Datenbank ab und stellt sie grafisch als farbige Punkte nach einem Ampelprinzip in einer Raumkarte dar. Die präzisen Messwerte können zudem aus der Datenbank exportiert und zum Beispiel in Form von Kurven dargestellt und analysiert werden. Das System sei geeignet, Lüftungskonzepte in größeren Räumen unter realen Bedingungen zu überprüfen, berichteten die Studenten in ihrer Abschlusspräsentation.

„Das Neue an dem System der Studierenden ist, dass sich die CO₂-Verteilung an vielen Stellen zum gleichen Zeitpunkt verfolgen lässt und man die Entwicklung anschließend noch einmal im Zeitraffer abspielen kann“, so Theel, Leiter der Abteilung Systemsoftware und verteilte Systeme. So könne man sehr präzise analysieren, ob ein Lüftungskonzept funktioniert – oder durch welche konkreten Maßnahmen es sich verbessern lässt.

Werte in Echtzeit

Um die CO₂-Konzentration zu messen, verwendete das Team kommerziell erhältliche Sensoren, die Kohlendioxid-Werte mit Hilfe von Infrarot-Licht mit hoher Genauigkeit messen. Diese Messfühler verbanden sie mit kleinen Ein-Chip-Computern, so genannten Mikrocontrollern, einer eigenen Stromversorgung, LED-Lämpchen und weiteren Bauelementen zu sogenannten Sensorknoten. Die kleinen Kästen lassen sich frei im Raum positionieren. Jeder Sensorknoten zeigt über das LED-Ampelsystem die aktuelle CO₂-Konzentration an seiner Position an und sendet die genauen Messdaten zudem per W-Lan zu einem Laptop im gleichen Raum. Dort lassen sich die grafisch aufbereiteten Werte in Echtzeit anzeigen.

Das Team hat bereits das Lüftungskonzept eines Labor-Raums an der Universität mit Hilfe des Systems überprüft. Mit Erfolg: Die Messungen ergaben, dass die CO₂-Werte in dem Raum, in dem sich bis zu fünf Personen aufhielten, während eines mehrstündigen Zeitraums auch bei zeitweise gekippten Fenstern nie in den kritischen Bereich kamen. Geplant ist, Kits mit mehreren Sensorknoten nach den Sommerferien auch in Schulen einzusetzen, um gemeinsam mit den Schulträgern Lüftungskonzepte evaluieren und gegebenenfalls optimieren zu können. „Prinzipiell kann das System auch mit 70 oder 700 Sensorknoten funktionieren, ohne dass dafür Änderungen in Hard- oder Software nötig wären“, berichtet Theel.  

Die nötigen Finanzmittel für Material und Zubehör beantragten die Studenten beim universitätseigene Lehrprofil forschen@studium, in dem das aktive Forschen von Studierenden gefördert wird.