COVID-19 Prävention: CO2-Messung und bedarfsorientierte Lüftung

Rechtzeitig zum Ende der Herbstferien hat das Niedersächsische Kultusministerium eine überraschende Lösung für das Lüftungsproblem gefunden: Tolle Fensterhänger, sogar zum Selbstdrucken, die sicher auch in anderen Bundesländern wirksam sind.

Dass die Lösung so einfach ist, hätten wir nicht gedacht ...  ;-).

Wer sich trotzdem komplexe Gedanken machen möchte, ist herzlich eingeladen weiterzulesen. Allen, die an der Existenz des Virus zweifeln, oder die wissen möchten, wie das SARS-CoV2-Virus aussieht, sei dieser Tweet vom DKFZ empfohlen.

Nach aktuellem Stand der Wissenschaft (Fennelly, Lancet, 2020) spielen winzige Flüssigkeitstropfen (Aerosole) eine viel größere Rolle bei der Ausbreitung von Atemwegsinfektionen, als bisher vermutet. Zu wenig lüften erhöht das Erkrankungsrisiko, zu viel lüften schadet der Umwelt. Mit diesem Mitmachprojekt zur bedarfsorientierten Lüftung möchten wir deshalb die Initiative ergreifen, um den Regelbetrieb unserer Schulen und Hochschulen in diesen Zeiten ein wenig sicherer zu machen und zugleich den Klimaschutz zu würdigen.  Auch nach der Pandemie hilft uns zielgerichtetes Lüften dabei, schleichende Ermüdungsprozesse im Unterricht zu stoppen. Denn hohe CO2-Werte reduzieren auch die Aufmerksamkeit und das Lernverhalten der Schülerinnen und Schüler.

Ein CO2-Messgerät gehört in jeden Klassenraum und in jeden Hörsaal, entweder käuflich erworben, oder noch besser, gleich selbst gebaut. Denn beim Selbstbau lernen wir viel über Physik, Biologie, Chemie, sowie Informatik und können sogar weitere Features integrieren, die kaum ein Standardgerät bietet. Wie wäre es mit einem Webserver, einem Cloudinterface für einen schulinternen Wettbeweb zum Thema richtige Lüftung, oder wie erkenne ich Desinfektionsmittel in der Raumluft, oder einem Pax-Counter zur Abschätzung der Raumbelegung?

Mit dem Internet der Dinge vernetzen wir uns, ermöglichen den Austausch von Informationen und können ganz nebenbei auch Klimaschutzaspekte berücksichtigen. Die IoT2-Werkstatt ermutigt das Bildungssystem, sich selbst zu helfen. Wir unterstützen euch hier mit Bauanleitung  und wissenschaftlichen InformationenWeitere Tipps und Nachbauprojekte im ganzen Bundesgebiet findet ihr im Twitter von Guido Burger 

Nutzt die IoT2-Werkstatt, informiert euch über die Hintergründe, entwickelt eigene Ideen, baut selbst. Nicht nur in Zeiten der Pandemie sind diese Skills von herausragender Bedeutung (KI, SmartCity, Spektrometer, Pegelmessung Starkregen, Feinstaub und vieles mehr) . Aber Schritt für Schritt:

News

Workshop der IoT-Werkstatt bei der Summer-School "IT Fundamentals of National Park Monitoring" am Umwelt-Campus

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imedia 2017

Vortrag der IoT-Werkstatt auf der größten Bildungsmesse in Rheinland-Pfalz

 

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CeBIT 2017

Exponat am Gemeinschaftstand Rheinland-Pfalz

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Sonderheft IoT der Make

IoT-Spezial mit Beitrag über den Octopus und die IoT-Werkstatt

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Was hat die CO2 - Konzentration in Innenräumen mit Corona-Ansteckungsraten zu tun?

Woher stammt das in Innenräumen befindliche Kohlendioxid?

Richtig, es stammt aus der Ausatemluft der Personen, die sich in den Innenräumen aufhalten. Jeder Mensch atmet pro Minute etwa 8 Liter Luft aus, die dort im intensiven Kontakt mit dem Lungengewebe gestanden hat. Die ausgeatmete Luft enthält deshalb neben CO2 (4 % = 40.000 ppm) auch winzige Flüssigkeitströpfchen (Aerosole), die aufgrund ihrer Größe für längere Zeit in der Luft schweben können. Ist die jeweilige Person mit dem Virus infiziert, so enthalten diese Tröpfchen auch Viruspartikel. Bei Aerosol-Sinkgeschwindigkeiten von wenigen Metern pro Stunde (Quelle) und Abnahme der biologischen Virus-Infektionsaktivität mit einer Halbwertszeit von ca. 2.7 Stunden (Quelle) bleibt die Raumluft längere Zeit belastet. Atmet ein gesunder Mensch diese kontaminierten Tröpfchen ein und überschreitet die darin enthaltende Anzahl an Viruspartikel eine minimale Infektionsdosis, so wird die Krankheit übertragen. Über 200 Wissenschafterinnen und Wissenschaftler appellierten kürzlich an die WHO, luftgebundenen Übertragungswege bei SARS-CoV-2 ernster zu nehmen (Morawska & Milton, 2020). Die CO2-Messung bietet eine kostengünstige Lösung zur Einordnung des aktuellen Risikos durch potentiell infektiöse Aerosole.

Befinden wir uns mit mehrerern Personen in einem Raum, so liefert die Messung der CO2-Konzentration ein Maß dafür, wieviel Prozent der von uns eingeatmeten Luft aus bereits ausgeatmeter Luft anderer Menschen besteht. Die Massenbilanz zeigt, dass eine gemessene CO2-Konzentration von ca. 1200 ppm (parts per million) bedeutet, dass fast 2% der Luft im Raum bereits mindestens einmal Lungenkontakt hatte [Quelle]. Anschaulich kann man feststellen, dass jeder 50.te Atemzug den eine Person in diesem Raum tätigt, aus schon einmal ausgeatmeter Luft besteht. Über das sich daraus ergebene konkrete Corona-Infektionsrisiko wollen wir nicht spekulieren, es hängt von verschiedenen Faktoren ab, die zur Zeit noch intensiv erforscht werden. Ein Risikofaktor ist sicher die Anzahl von weiteren Personen im selben Raum, das lokale Pandemiegeschehen und die Strömung der Luft (Hartmann und Kriegel, 2020). Dem Problem, wie viele Personen sich überhaupt im Raum befinden, werden wir am Ende dieser Anleitung messtechnisch nachgehen. Insgesamt gilt natürlich: Ist keine der im Raum befindlichen Personen infiziert, so besteht auch bei hohen Konzentrationen kein Infektionsrisiko.

Wie der Infektionsgefahr vorbeugen?

Aus den Vorüberlegungen wird aber klar, dass eine gute Durchlüftung der Räume das Risiko senkt. Unabhängig davon fördert ein gutes Raumklima auch die Konzentrationsfähigkeit. Gute Durchlüftung sollte bei Versammlung einer größeren Gruppe damit eigentlich eine Selbstverständlichkeit sein. Das Umweltbundesamt hat hierzu allgemeine Leitlinien zur "Gesundheitlichen Bewertung von Kohlendioxid in der Innenraumluft" und eine Sonderstellungnahme SARS-CoV-2  verfasst, an der wir uns im folgenden orientieren werden. Demnach ist eine Konzentration von < 1000 ppm hygienisch unbedenklich. Eine Konzentration zwischen 1000 und 2000 ppm stuft die Leitlinie als bedenklich und alles darüber als inakzeptabel ein. CO2 ist auch ein wichtiger Indikator in der DGHK Stellungnahme zur Prävention in Schulen. Der UBA-Arbeitskreis Lüftung  empfiehlt dazu den Einsatz von CO2-Ampeln. Die DGVU (Unfallkasse) geht noch weiter und plädiert in Zeiten der Epidemie für einen Zielwert von 700 ppm in Klassenräumen.  Die neusten Erkenntnisse fasst der für die KMK erstellte UBA Ratgeber "Lüften in Schulen" (15.10.20) zusammen.

Lüften bedeutet nicht nur Luftaustausch, sondern im Winter auch Wärmeverluste. Eine nachhaltige Strategie sollte auch diesen Effekt berücksichtigen. Ist, wie in den meisten Schulen, keine moderne Klimatechnik mit Wärmetauscher vorhanden, so hilft nur Überwachung des CO2 und bedarfsorientiertes bzw. regelmäßiges manuelles Querlüften.

Bedarfsorientiertes Querlüften
Infektionsschutz und Klimaschutz vereinen: Bedarfsorientiertes Querlüften.
Zeitverlauf CO2
Exemplarischer Zeitverlauf der CO2-Konzentration. Querlüftung vs. Kipplüftung. Durch richtiges Lüften lässt sich viel Heizenergie sparen.

Luftfeuchtigkeit

An dieser Stelle möchten wir auch auf einen Zusammenhang zwischen Luftfeuchtigkeit und möglichen Infektionsrisiko hinweisen:

  • Je trockener die Luft, desto schneller verdunstet das Wasser aus den Aerosolen. Kleine Tröpfchen aber bleiben länger schweben und erhöhen das Risiko.
  • Der zeitliche Verlauf (Anreicherung von Salzen im Tropfen) hat Einfluss auf die Inaktivierung des Virus. Je schneller die Verdunstung, desto höher die verbleibende Infektiösität und damit das Risiko.
  • Trockene Luft führt zur Austrocknung der Schleimhäute beim Menschen und damit zu einer erhöhten Infektanfälligkeit.

Ein Forscherteam des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung empfiehlt deshalb eine realtive Luftfeuchtigkeit von 40-60 % in Innenräumen. Die meisten CO2-Ampeln zeigen auch die realtive Feuchtigkeit der Raumluft an. Durch häufiges Lüften im Winter wird diese eher zu niedrig ausfallen. Eine Erhöhung lässt sich z.B. durch viele Zimmperpflanzen auf dem Fensterbrett oder einer Schale Wasser auf dem Heizkörper erzielen.  

Ein kurzer Blick hinter die Kullissen: Zum MINT Hintergrund

Obige Betrachtungen gelten für alle Innenräume, in denen sich Menschen versammeln. Das besondere Augenmerk der IoT-Werkstatt gilt aber den Klassenräumen in unseren Schulen. Hier besteht dringender Handlungsbedarf, lassen sich viele klassische Lüftungsempfehlungen ("Alle x Minuten Querlüften") doch oft aus baulichen Gründen in der Praxis nur schwer umsetzen. Empirische Untersuchungen (Unfallkasse NRW, Fraunhofer IBP, NLGA, nochmal Unfallkasse NRW) orientieren sich deshalb oft an den oberen Grenzwerten des UBA und versuchen die Situation über Lüftungstools (Unfallkasse NRW,Fraunhofer WKI) oder Apps zu modellieren.

Hier wäre eine Kontrolle des Lüftungserfolgs und ggf. individuelle Anpassung des Zeitintervalls / der Lüftungsdauer sinnvoll. Kipplüften ist quasi wirkungslos und führt nur zu einem erhöhten Heizungsbedarf der Schule. Kommt die kältere Jahreszeit, so geraten gut gemeinte Empfehlungen auch an psychologische Grenzen. Im Forschungsprojekt REGENA haben wir feststellen können: Keiner im Raum möchte unnötig frieren - intelligente Messung statt zeitliche Steuerung ist essentiell für eine Nutzerakzeptanz.  

Wie können wir die Nutzerakzeptanz in der Schule erhöhen?

Kleine Interventionen, wie der obige Fensterhänger aus Niedersachsen, können tatsächlich die Aufmerksamkeit auf den Lüftungsprozess lenken. Noch besser aber wäre es, wenn die zugrundeliegenden Naturgesetze im Rahmen eines Selbstbauprojektes im Unterricht klar thematisiert würden. Lehrkräfte aus MINT (Mathematik, Naturwissenschaften, Informatik, Technik) können sich ebenso einbringen, wie Kolleginnen und Kollegen aus Kunst oder Ethik. Warum keine individuell gestaltete Ampel im Design der Schule?

Der Selbstbau einer CO2-Überwachungsampel fürs eigene Klassenzimmer bildet, fördert Kreativität und gibt allen Beteiligten das Gefühl, selbst etwas zur Risikovermeidung und zum Schutz der Gesellschaft beizutragen. In der Folge werden wir hier weitere Links zu den MINT-Hintergründen von COVID-19 einstellen. Wir freuen uns über jeden Hinweis zu geeigneten Quellen.

  • Physik:   Sinkgeschwindigkeit 1 µm:  10 cm / Stunde -> Tröpfchen schweben lange Zeit im Raum. Ein Video einer Forschergruppe der Universität Twente verdeutlicht die Reichweite der Tröpfchen. Wie hängt der Heizbedarf eines Klassenzimmers mit der Lüftungsstrategie zusammen, wieso darf die Luft im Raum abkühlen, die Betonwände sollten es aber nicht? Lernmaterial: "Wärmekapazität" auf studyflix.de. Eine Berliner Initiative bietet den Verleih von Messgeräten und ausgearbeitete Lerneinheiten zur schulischen Begleitung. 
  • Biologie: Virusgröße: 0.12 µm, also fürs Auge unsichtbar (Fotos, Nachweismehoden im Tweet von Marco Binder), Bestandteile eines Virus und Infektionsaktivität in Luft: Halbwertszeit 2.7 Stunden - was bedeutet das? Ausatemluft enthält höhere CO2-Konzentration als Einatemluft -> CO2 akkumuliert im Raum.  Hohe CO2-Konzentrationen haben auch Einfluss auch auf das Gehirn (Konzentrationsleistung). Das Lehrmaterial "Frische Luft für frisches Denken" der Landesunfallkasse Niedersachsen verdeutlicht: Die Aufmerksamkeit reduziert sich um bis zu 10%. Wie funktionieren PCR-Test-Kits für SARS-COV-2? Lässt sich die LAMP-Hardware dafür vielleicht sogar selber bauen und im Unterricht demonstrieren?.
  • Chemie:  Messung der CO2-Konzentration aufgrund IR-Absorption. Lehrmaterial: Unterrichtsvorbereitung und Veröffentlichungen der LMU München und PH Ludwigsburg. Oder beim Spektrometer der IoT-Werkstatt. Warum führt Lüften im Winter eigentlich zu trockner Luft? Aufklärung schafft die Chemie-Schule.
  • Mathe:   Massenbilanz CO2 -> Eine einfache Rechnung zeigt: bei 1200 ppm wurden fast 2 % der Raumluft schon einmal ausgeatmet. (1.200 ppm gemessen minus 400 ppm Basiskonzentration Frischluft ergibt 800 ppm zusätzlich. Das sind 2 % von 40.000 ppm der Ausatemkonzentration). Wie kann man die Wirkung von Mund- Nasenbedeckungen mathematisch beschreiben? Eine interaktive Webseite von Aatish Bhatia und Henry Reich gibt Aufschuß und zeigt: Masken wirken doppelt!
  • Informatik: Algorithmus der Ampel (geschachtelte Fallunterscheidung). Simulation des Infektionsverlaufs mittels einfacher Ausbreitungsmodelle. Was bewirkt die von uns erreichte Reduktion der Ansteckungsgefahr für die Gesellschaft? Hier gibt es bereits eine tolle Lerneinheit von Marcel Salathé und Nicky Case.
  • Technik:   Mikrocontrollerboards mit Sensorik im Maker-Space. Kosten ~ 100 bis 200 € pro Device (siehe unten). Wie funktioniert Klimatechnik, was macht eine Wärmerückgewinnung?
  • Nachhaltigkeit

    Richtiges Lüften schont die Umwelt, spart Heizkosten und mindert CO2-Emmissionen. In einem Einfamilienhaus lassen sich so 165 Euro pro Jahr sparen und 560 kg CO2 vermeiden.Die meiste Energie ist nämlich in den Wänden und im Inventar der Klasse gespeichert. Kipplüften führt dazu, dass sich auch die Wände abkühlen und später wieder aufgeheizt werden müssen. Beim Querlüften wird nur die Luft ausgetauscht, deren Energiegehalt aufgrund der niedrigen spez. Wärmekapazität deutlich geringer ist.

Selbstbau einer Risiko-Ampel

Im Folgenden wollen wir eine IoT-Anwendung bauen, um das Infektionsrisiko in Innenräumen zu quantifizieren und in Form einer Risiko-Ampel zu visualisieren. Zeigt die Ampel gelb oder rot, ist es Zeit, die Fenster zu öffnen, oder den Raum zu verlassen. (Natürlich setzen sich die Aerosole aufgrund der Schwerkraft irgendwann ab, ein nichtbelüfteter Raum mit "schlechter Luft von gestern" ist vielleicht harmlos, aber darauf wollen wir es natürlich nicht ankommen lassen).

Dazu benötigen wir einen Sensor für die CO2-Konzentration. Typisches Messverfahren für Kohlendioxid ist die Infrarot-Absorption. Hier gibt es viele verschiedene Modelle auf dem Markt, teilweise mit analogem Ausgang, so dass ein Anschluss an den Octopus einfach mit dem AnalogRead-Baustein erfolgen kann. Zur Anzeige bietet der Maker-Bedarf verschiedene Optionen. Ob Ampel, Zahlenwert, oder Textausgabe: Die grafischen Blöcke der IoT2-Werkstatt bieten maximale Flexibilität bei der Prgrammierung. Der eigenen Kreativität sind praktisch keine Grenzen gesetzt.

Zum Bau sind nur wenige Schritte notwendig. Wie das genau geht, zeigen wir euch hier Schritt für Schritt.

Hinweis: Unsere Selbstbau-Ideen basieren auf der Hardware des IoT-Octopus oder des Adafruit Feather HUZZAH ESP8266. Unsere IoT-Werkstatt bietet aber auch die ideale Plattform für alle anderen esp8266 basierten Systeme (NodeMCU, Wemos D1). Den dazu notwendigen Schaltplan des Octopus gibt es hier.

Abstand, Masken und Aerosole

Abstand, Masken und Aerosole
Abbildung nach https://tquev.github.io/covid-19/

Was haben Hygienemaßnahmen, Abstandsregeln und Masken gemeinsam?

Richtig, diese Maßnahmen helfen uns, das Ansteckungsrisiko zu verringern und damit die für den zukünftigen Pandemieverlauf so wichtige Reproduktionszahl R zu verkleinern. Die Zahl R ist ein Maß dafür, wieviele weitere Menschen eine infizierte Person ansteckt. Ist R>1, so sehen wir einen exponentiellen Kankheitsverlauf in der Gesellschaft und müssen wieder stärkere Maßnahmen (Schulschließungen) befürchten. Fachleute sprechen von einer jahrelang möglichen "Hammer und Tanz"-Strategie. Hintergründe dazu und verschiede Szenarien finden sich in der liebevoll illustrierten interaktiven Lerneinheit von Marcel Salathé und Nicky Case, auf deren Idee auch die nebenstehende Abbildung basiert.

Ziel muß es sein, die Zahl R unter 1 zu drücken, d.h. dafür zu sorgen, dass ein Infizierter im Laufe seiner Erkrankung weniger als eine weitere Person ansteckt. Überall dort, wo Abstandsregeln und Mund-Nasen-Bedeckungen nur schwer umsetzbar sind (z.B. im Schulunterricht), brauchen wir ein weiteres Werkzeug dazu.

Und hier bietet sich das Monitoring des CO2-Gehaltes in der Innenraumluft an.

Bilderrahmen mit Ampel
In einem Bilderrahmen eingebaut, symbolisiert ein leuchtender Neopixel-Ring das potentielle Infektionsrisiko.
Anzeigeoptionen
Neben Neopixel-Streifen können verschiedene Feather-Wings zur Anzeige genutzt werden. Entsprechende Ardublock-Elemente finden sich im Werkzeugkasten "Externe Interfaces" auf der linken Seite der Ardublock-GUI (Foto: G. Burger).
Verdrahtung Octi
Der Octopus wird mittels Grove-Kabel mit dem Sensor verbunden. Foto: G. Burger
Kunstobjekt
Wer möchte, der kann zur Anzeige auch ein selbstgedrucktes 3D-Kunstobjekt verwenden. Dann ändert der Kopf des Kolibris seine Farbe in Abhängigkeit des Infektionsrisikos. (Klicken um näheres zu erfahren). Die Vorlage von Damian Riggert findet sich unter https://www.thingiverse.com/thing:3102443

Kein CO2-Sensor verfügbar, was tun?

Besitzer eines Octopus mit Bosch BME 680 Umweltsensor können den eingebauten VOC-Sensor (volatile organic compounds, flüchtige organische Komponenten) nutzen, um CO2 abzuschätzen (CO2-Equivalent).

Das Funktionsprinzip: Beim Gasaustausch in der Lunge sind nicht nur CO2 und Sauerstoff beteiligt, sondern es gehen weitere Blutbestandteile in die Luft über. Diese organischen Komponenten führen zu einer erhöhten VOC-Konzentration der ausgeatmeten Luft. Ein Software-Sensor in der BSEC-Bibliothek des BME 680 rechnet diese in equivalente CO2-Konzentrationen um. Wir messen damit also nur das von Personen ausgeatmete CO2, das CO2 einer Sprudelflasche könnte dieser Softwaresensor nicht detektieren. Ein Effekt, der für unsere aktuelle Anwendung geradezu ideal passt. Allerdings sollen die Nachteile hier nicht verschwiegen werden: Auch andere VOC-Quellen (Desinfektionsmittel, Alkohol, Mundgeruch, Formaldehyd) verfälschen die Messung. Ggf. müssen die Alarmgrenzen also etwas angepasst werden.  Mehr Informationen und Hintergründe zu VOC in Schulen z.B. im Leitfaden für die Innenraumhygiene in Schulgebäuden des Umweltbundesamtes.

Hinweis: Der Software-Sensor benötigt einige Zeit zur Selbstkalibrierung. Der Zustand der Kalibrierung wird im Sensorkanal "IAQ Accuracy"  angezeigt. (Accuracy 0: Sensor nicht stabil bis Accuracy 3: Sensor erfolgreich kalibriert). Weitere Information dazu hier. So ein Softwaresensor ist jedenfalls ein tolles Beispiel für den Einsatz von Modellbildung und Machine Learning.

 

 

Risiko-Ampel mit BME680
Der Bosch Umweltsensor kann VOC detektieren und mittels BSEC-Lib in CO2 umrechnen. Dazu benötigt der Sensor einige Zeit der Selbstkalibrierung. Richtig vertrauenwürdig sind die Messungen also erst nach ein paar Stunden.

Schul-Dashboard, Fernüberwachung und Klimaschutz

Dank IoT-Superblöcken, können wir die Messergebnisse im Internet sichtbar machen. Nur schulintern, oder sogar weltweit. Einfach per WLAN ins Internet und über die Thingspeak-Datenplattform mitloggen / visualisieren. So ist die Historie eines jeden Raums jederzeit im Blick, einem Lüftungswettbewerb steht also von technischer Seite nichts entgegen. Der Thingspeak-Server von Mathworks erlaubt sogar die Nutzung von Matlab zur statistischen Auswertung oder zur Modellierung von Vorhersagen (näheres zu mathematischen Modellen und Matlab hier). Auch grafische Elemente (Gauge) sind integrierbar. Neugierig? Alles weitere hier.

Und als möglicher Ausblick: Gäbe es eine entsprechende Infrastruktur, so könnte unsere Ampel auch selbst das aktuelle Infektionsgeschehen in unserem Landkreis abfragen. Wir könnten die Warngrenzen also ans aktuelle lokale Risiko adaptieren.

Die CO2-Konzentration allein sagt noch nichts über das Infektionsrisiko. Wichtige Kenngröße ist natürlich auch die Anzahl der im Raum befindlichen Personen. Sind wir selbst die alleinige CO2-Quelle (Einzelbüro), so gibt es auch bei hoher Konzentration kein hygienisches Risiko. Dank Pax-Counter kennen wir aber sogar die Belegung der einzelnen Räume. Ein Pax-Counter zählt anhand der MAC Adresse des WLAN-Interfaces die im Raum befindlichen Smartphones (näheres zum Pax-Counter hier).

Thingspeak CO2 Messung
Ein einfacher IoT-Superblock reicht, um unsere Daten in der Cloud zu speichern. Dazu vorher einen Kanal am Thingspeak-Server einrichten. Der API-Key dient zur Autorisierung.
Dashboard für die Schule
Ein Dashboard bietet stets den aktuellen Überblick über die Messwerte in den einzelnen Räumen.
Thingspeak mit Pax-Counter
Der Pax-Counter nutzt das WLAN Interface um nach AP-Requests zu suchen. Die MAC Adressen erlauben eine Abschätzung der im Raum befindlichen Personen. Zur Übertragung ins Thingspeak, muß das WLAN-Interface wieder Kontakt zum eigenen Access-Point aufnehmen.
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