Vernetzte Raumklimasteuerung
«IoT-System zur automatischen Regulierung der Lüftung und Luftwäsche»
Leitfrage: Wie lässt sich das Raumklima bedarfsgerecht und vernetzt steuern? Ein gutes Raumklima hängt von mehreren Faktoren ab. Temperatur, Luftfeuchtigkeit, CO₂-Gehalt, flüchtige organische Verbindungen und Feinstaub. In einer Minergie-P-Wohnung werden Lüftung und Luftwäscher jedoch unabhängig voneinander und nur von Hand bedient. Dieses Projekt zeigt, wie laufende Messungen der Luftqualität die Geräte automatisch und bedarfsgerecht steuern können, umgesetzt und überprüft an einem Modell.
Management Summary
Die bedarfsgerechte Steuerung von Lüftung und Luftwäschern setzt die Erfassung relevanter Raumklimawerte voraus. Ziel dieser Diplomarbeit war die Entwicklung eines vernetzten Demonstrationssystems, das den Zusammenhang zwischen Luftqualität, Messwertverarbeitung und automatischer Aktoransteuerung anhand eines Wohnungsmodells im Massstab 1:30 veranschaulicht.
Der Prototyp erfasst CO₂, Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Feinstaub und VOC-Index in zwei Modellräumen sowie im Frischluftkanal. Die Komponentenwahl erfolgte anhand der Messaufgaben, Schnittstellen und elektrischen Anforderungen. Für CO₂ wurden SCD-41-Sensoren eingesetzt; SEN54 erfassen weitere Raumklimagrössen wie Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, VOC und Feinstaub. Zwei BME280 ermöglichen eine prototypische Filterüberwachung durch die Differenz ihrer Druckmesswerte. Ein I²C-Multiplexer trennt Sensoren mit identischen Adressen. Drei Lüfter und RGB-LEDs stellen die Betriebszustände modellhaft dar.
Die Architektur trennt lokale Regelung und übergeordnete Datenverarbeitung. Ein Arduino verarbeitet die Sensorwerte und steuert die Lüfter anhand festgelegter Prototypschwellen. Ein Raspberry Pi empfängt die Daten über USB-Seriell, speichert sie in InfluxDB und visualisiert sie mit Grafana. Raspberry Pi OS Lite reduziert den Ressourcenbedarf der Betriebssystemumgebung. Die Serveranwendungen werden in Docker-Containern betrieben; Node-RED und MQTT ermöglichen die Bedienung und Zustandsrückmeldung der Filterüberwachung.
Funktionstests zeigten Messwertänderungen bei CO₂-, Feuchte-, VOC- und Partikeleinflüssen sowie beobachtete Lüfterreaktionen. Überwiegend einseitige Testeinflüsse veranschaulichten die raumbezogene Regelung. Unterschiedliche Sperrholzöffnungen simulierten Strömungswiderstände und lösten Änderungen der Filterstatusanzeige aus. Ein erhöhter VOC-Index führte zur Meldung belasteter Zuluft. Die Nachtkühlung wurde implementiert, jedoch nicht praktisch getestet.
Der Prototyp demonstriert die Verknüpfung von Messwerterfassung, Speicherung, Visualisierung und Regelung. Die Versuche belegen jedoch weder eine vollständige Sensorkalibrierung noch reale Filterleistung, Kühlwirkung oder Energieeinsparung. Die Übertragbarkeit auf eine reale Wohnung ist durch dieses Modell begrenzt.
PROJEKTBESCHREIBUNG
Ausgangslage und Zielsetzung
Ein angenehmes und gesundes Raumklima hängt von verschiedenen Faktoren ab. Neben der CO₂-Konzentration beeinflussen auch Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Feinstaub und flüchtige organische Verbindungen die Luftqualität.
Ziel dieser Diplomarbeit war die Entwicklung eines vernetzten Systems, das diese Messgrössen überwacht und die Lüftung sowie die Luftwäsche automatisch und bedarfsgerecht steuert.
Technische Umsetzung
Für die praktische Umsetzung wurde ein Modell im Massstab 1:30 gebaut. Es bildet ein Wohn- und ein Schlafzimmer sowie eine zentrale Frischluftzufuhr ab.
Mehrere Sensoren erfassen die relevanten Raumluftwerte. Die Messdaten werden durch einen Arduino UNO R4 WiFi verarbeitet. Auf Grundlage festgelegter Schwellenwerte steuert dieser drei Lüfter in unterschiedlichen Leistungsstufen. RGB-LEDs zeigen den jeweiligen Betriebszustand direkt am Modell an.
Ein Raspberry Pi 4 übernimmt die übergeordneten Funktionen. Die Messwerte werden in einer InfluxDB gespeichert und über Grafana grafisch dargestellt. Zusätzlich ermöglicht Node-RED die Bedienung und Überwachung ausgewählter Funktionen.
Ergebnisse
Der entwickelte Prototyp demonstriert das Zusammenspiel von Sensorik, Steuerung, Datenübertragung und Visualisierung.
In Funktionstests konnten Reaktionen auf veränderte CO₂-Werte, Luftfeuchtigkeit, flüchtige organische Verbindungen und Feinstaub beobachtet werden. Die Lüftersteuerung reagierte entsprechend den programmierten Regeln.
Die Filterüberwachung wurde prototypisch umgesetzt. Eine Nachtkühlungsfunktion ist programmiert, konnte jedoch nicht praktisch getestet werden.
Fazit und Ausblick
Die Diplomarbeit zeigt, wie sich unterschiedliche Technologien zu einem vernetzten System zur automatischen Raumklimasteuerung verbinden lassen.
Die wesentlichen Funktionen konnten erfolgreich demonstriert werden. Für eine spätere Anwendung in einer realen Wohnraumlüftung sind insbesondere die Messgenauigkeit, die Lüfterregelung und die Filterüberwachung weiter zu überprüfen und zu optimieren.
Mario Wicki
Gewissenhaft, zuverlässig, Jahrgang 1982 und gelernter Mechatroniker. Meine Freizeit verbringe ich gerne mit meiner Familie. Sportliche Aktivitäten für den Ausgleich und zum abschalten sind ebenso wichtig wie die Freude an dem beruflichen Alltag.
mario-wicki@quickline.ch
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Themeneingabe
Mit der Themeneingabe ist der Startschuss für die Diplomarbeit gefallen.
Die Diplomarbeit beiinhaltet die schriftliche Dokumentation, Bilder und Fluss-Diagramme. Weitere Diagramme, Pläne sowie Screenshots von der Visualisierung sind separat angefügt.
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