Klassenzimmer-Antivirus (Raumluftfilter)

Disclaimer:

• Der abgebildete Aufbau nur eine Möglichkeit. Weitere Fotos siehe unten.
• Work in progress. Feedback gerne gesehen.
• Backlog (Stand Februar 2021): ich muss die Beschreibung von Variante A Mk III V 1.0 unten noch um das Gartensieb zur Führung des Luftstromes und als Fingerschutz aktualisieren und Fotos von einem Schalldämpfer hinzufügen, den Baudo (siehe Kommentare) gebaut hat.
  Weiterhin habe ich den Ventilator jetzt "von oben" gegen die MDF Platte geschraubt (siehe Titelbild), die Ventilator-Blätter gedreht und die ringförmigen Streben/Gitter entfernt, um deren Luftwiderstand loszuwerden.
• Ihr seid alle aufgerufen, Euch wie damals bei Masken selber Gedanken zu machen. Die Zielgruppe hier ist erstmal Klassenzimmer, aber gilt sicher auch für Hackerspace, Repair-Cafe oder Coder-Dojo (wobei es dort im Moment verboten wäre, 24+ Personen aus 24+ Haushalten ohne Maske, ohne Abstand für 45m in einen Innenraum zu stecken...)
  Oder Musikschule, denn viele Instrumente mögen Temperaturschwankungen nicht.
  Oder eine Familie mit akutem Corona-Fall, die das Risiko zusätzlich zu Abstand, Maske, Desinfektion und Lüften weiter senken will.
• Ein Luftreiniger hilft nur gegen Aerosole, nicht gegen Tröpfchen von jemandem, der einem zu dicht gegenüber steht/sitzt. Da hilft ein Mund-Nasen-Schutz (MNS).
• Der Einsatz eines Luftreinigers setzt Anweisungen zum Lüften nicht außer Kraft, er ist eine zusätzliche Maßnahme.
• Eine FFP2 Maske vor Mund und Nase ist ein besserer Raumluftfilter als so eine Kiste irgendwo im Raum.

Kontext:

• Der Winter kommt und das tragen von Mund-Nasen-Schutz ist im Unterricht nicht vorgeschrieben. Kann/wird sich noch ändern. Wohl den Schulen, die sich hier selber mehr zumuten.
• Die Gesundheitsämter und Schulbehörden schreiben das Stoßlüften "alle 20m und in den Pausen" vor und in vielen Klassenzimmern geht das nicht gut.
• Es gibt Klassenzimmer an lauten Straßen und Plätzen.
• CO2 Monitore sind/waren ausverkauft und der Mensch hat keinen guten Sinn für schlechte Luft (wenn er selbst in dieser sitzt). Tatsächlich ist das im Winter schlimmer, weil der Mensch "kalt" gerne mit "frisch" verwechselt und dann das Fenster zu schnell schliesst.
• In Firmen wurden/werden die Lüftungsanlagen mit besseren Filtern ausgerüstet, der Außenluftanteil wird maximiert und ebenso die Luftumwälzung. In Schulen ist im besten Fall geprüft worden, ob man Räume überhaupt sicher belüften kann. Sicher hier im Sinne von Nicht-Aus-Dem-Fenster-Fallen, nicht im Sinne von Sicher-Gegen-Covid.
• Wenn weniger SARS-CoV-2 Viren eingeatmet werden hat das Immunsystem ein leichteres Spiel.
• Eine kontinuierliche, maschinelle (automatische) Lüftung/Luftreinigung ist einer Lüftung von Hand immer überlegen. Stoßlüften von Hand heisst ja, die Virenkonzentration steigt 20m an, wird dann reduziert und steigt dann wieder.

Lesestoff:

• Was Luftfilter gegen das Virus ausrichten können (Süddeutsche)
• A Variation on the “Box Fan with MERV 13 Filter” Air Cleaner
• Best Static Pressure Fan for Radiator, Heatsink in 2020
• SARS-CoV-2: Luftreiniger beseitigen 90 % der Aerosole in Schulklassen
• Raumluftreiniger: Sinnvoll in Zeiten der Pandemie?
• A room, a bar and a classroom: how the coronavirus is spread through the air
• Bei niedrigeren Temperaturen und längeren Aufenthalten in geschlossenen Räumen hilft nur noch Lüften – oder bessere Filter.
• So schnell verbreitet sich das Coronavirus in Innenräumen (man beachte, dass man nach dem Rechner der ZEIT nicht mehr als 25 Personen in einen 70m2 Raum stecken darf, was natürlich in Schulen regelmäßig der Fall ist..)
• The Dose Makes the (risk of) Infection
• Use of portable air cleaners to reduce aerosol transmission on a hospital COVID-19 ward (auf Save PDF klicken, um den vollen Artikel mit Kurven und Fotos zu lesen)

Problemstellung:

• Ein Klassenraum hat Minimum 60m2 bei 3m Höhe, also 180m3. Bitte lokal nachmessen, denn für neuere Klassenräume gelten höhere Anforderungen. Wir haben bisher kein Klassenzimmer unter 210m3 gesehen.
• Wenn man "alle 20m" idealen Durchzug schafft, dann kann man im besten Fall einen Luftaustausch von 3/h schaffen. Also, wenn man die Lüftungszeit vernachlässigt und ignoriert, dass man keinen idealen Durchzug schafft, haha.
• Im Arbeitsschutz liegt der Basisschutz bei einem Luftaustausch von 6/h. In dem Versuch im vierten Link oben waren es 5,5/h.
• Wir müssen also zwischen 540 und 1080m3 pro Stunde durch Filter ziehen.
• Im Arbeitsschutz werden für öffentliche Gebäude und Schulen EPA Filter vorgeschrieben/empfohlen. Auf der anderen Seite gibt es Experten, die sagen, nur HEPA 14 Filter sind gut genug. Wir erinnern uns an die "nur FFP3 Masken sind gut genug" Diskussion vom Frühjahr, schauen auf die Preise und Verfügbarkeit von HEPA 13 und 14 und entscheiden, dass HEPA 13 gut genug ist.
• Professionelle High-End Luftreiniger haben UVC-Licht und Plasmastrecken. Cool. Aber wenn man UVC-Licht falsch macht gibt es Hautkrebs, deswegen lassen wir das weg.
• Der Luftreiniger muss leise genug sein. Wenn er nicht leise genug ist, wird er abgeschaltet. Hier scheint es aber in der Praxis in Schulen andere Toleranzen als in Büros zu geben: 45db wurden von Lehrerinnen noch als akzeptabel bezeichnet. Tiefe Töne sind angenehmer.
• Der Luftreiniger muss den Luftdurchsatz schaffen. Wenn er den Luftdurchsatz nicht schafft ist er schlimmer als Nix, weil vielleicht nicht oder weniger von Hand gelüftet wird.
• Der Luftreiniger muss an der richtigen Stelle in der richtigen Höhe aufgebaut werden, damit er eine Luftzirkulation in Gang setzen kann, die den gesamten Klassenraum erreicht. Konstruktionen an der Decke wie herabhängende Leuchten können eine Zirkulation stark beeinträchtigen; alles entfernen, was entfernt werden kann.
• Der Luftreiniger muss leicht zu bauen und sicher zu betreiben sein, d.h. der Filtertausch muss leicht sein und es muss leicht ersichtlich sein, wann dies notwendig ist.
• Der Luftreiniger muss robust genug sein, damit eine Berührung mit einem Schulranzen nicht sein Ende ist.
• Der Luftreiniger muss günstig genug sein. Preisvorstellung ist unter 10 EUR pro Kind.

Lösungsansätze:

• HEPA 13 Filter sind leicht zu beschaffen. Ein Filter, der "dicker"/tiefer ist, hat eine höhere Oberfläche, weil das Filtermaterial im Zickzack gefaltet verbaut ist. Eine höhere Oberfläche reduziert den Druckverlust.
• Bei dem/den Ventilatoren ist darauf zu achten, dass sie darauf ausgelegt sind, statischen Druck ('static pressure') zu erzeugen, sonst können sie nicht ordentlich Luft durch Filter ziehen. Mit anderen Worten: "normale" PC-Gehäuselüfter reichen nicht. Siehe dritter Link oben.
• Die Filteroberfläche zu maximieren ist also der Weg, um zu einem leisen Filtersystem zu kommen. Der zweite Artikel oben zeigt, wie man das machen kann: ein Ventilator, der die Luft über mehrere "große" Filter -- eine "Filter-Box" -- ansaugt.
  Wenn wir richtig gerechnet haben, dann sind dann nur Druckverluste von Größenordnung 20 Pa zu überwinden, das ist wenig.
• Wir saugen die Luft über die Filter an (und blasen die Luft nicht in die Filter), damit sich Staub außen gut sichtbar ansetzt: so wissen wir, wann die Filter abgebürstet, abgesaugt oder ausgetauscht werden müssen.
• Die Luft wird unten angesaugt und nach oben weggeblasen, um eine Luftumwälzung in Gang zu bekommen. Ziel ist es, im gesamten Raum eine Luftströmung zu erzeugen, die konstant und schnell das Virus aufnimmt und zum Filter führt.
• In der Praxis brauchen wir eine Bodenplatte auf der wir ggf. Netzteile usw. montieren können. Vielleicht müssen wir auch Beine anschrauben, damit der Luftreiniger in der richtigen Höhe aufgestellt werden kann.

Überprüfung:

• Steini hatte die Idee, mit einer Nebelmaschine in einem Klassenraum zu messen, wie schnell sich der Nebel verflüchtigt bzw. rausgefiltert wird bei
  a) "Ritzenlüftung", also nichts tun, kein Klassenzimmer ist komplett dicht.
  b) gekippten Fenstern
  c) Stoßlüften, 5m
  d) Luftreiniger
• Im besten Fall kann man die Nebelmaschine so einstellen, dass sie alle Minute etwas "nachnebelt", Schüler*innen atmen ja auch ständig.
• Das Ziel ist, mindestens so gut zu sein wie reales (nicht ideelles) Stoßlüften.
• Beim Messen darauf achten, dass nur gerade eben so viel Nebel eingeblasen wird, um das Messgerät an (oder kurz vor) den Anschlag zu bringen. Verwendet einen ordentlichen Ventilator, um den Nebel gleichmäßig im Raum zu verteilen.

Umsetzung:

• Variante A wird eine Box aus vier HEPA 13+ Filtern 24x29 mit einem "großen" Abluftventilator und ggf. Drehzahlregler.
  Beim Ventilator auf die Geräuschentwicklung achten. Alles über 45 db(A) ist wahrscheinlich zu laut, aber es kommt auch auf die Tonhöhe an
• Variante B ebenso vier HEPA 13+ Filter, aber mit vier PWM PC-Gehäuselüftern und ggf. PWM Drehzahlregler (aber meistens wird man alle Power brauchen, die man bekommen kann).
  Bei den Ventilatoren auf Optimierung auf statischen Druck achten!
  Leise Ventilatoren bevorzugen, aber auch hier kommt es auf die Tonhöhe an.
  Wenn das Netzteil zu klein ist, kann es ggf. die 12V nicht stabil halten.
• Ventilator(en) ggf. vom Rahmen entkoppeln, damit keine Schwingungen übertragen werden, bei den unten verwendeten HDF Platten scheint das aber kein Problem zu sein.
• Die Box auf Dämpfer stellen, damit keine Vibrationen auf den Boden übertragen werden.
• Möglicherweise muss man die Box "vergittern", damit kein Mensch aus Versehen Finger oder Bleistift in Filter oder Ventilator steckt.
  Die Praxis zeigt, dass Grundschüler immer die Ventilatoren anfassen wollen, da ist ein Gitter also notwendig.

Weitere Hinweise:

• falls es nicht eh klar ist: Lüften muss man trotzdem ab und zu, weil ein Luftreiniger ja nur Staub, Allergene, Viren usw. entfernt, aber nicht CO2 in O2 umwandelt :- ) Einen CO2 Monitor sollte man sich eh zulegen, mit guter Luft lernt der Mensch besser.
• Weiterhin sollte auch die Luftfeuchtigkeit gemessen werden, je nach Heizungsform muss man auch hier regulierend eingreifen.

Variante A "Impressionen"

Die erste Version haben wir mit einem 230V Wechselstromventilator von Cata gebaut. Vorteile waren der geringe Preis und die deutliche Luftsäule. Inzwischen sind wir davon weg, weil er etwas zu laut ist und sich nur schlecht bzw. teuer regeln lässt.

Aufbau zum Messen des Luftdurchsatzes:

Nächste Iteration:

Robuste Variante A 0.9 von @derMicha

Außenansicht:

Der hier verwendete Cata Ventilator kann ca. 950m3/h. Nach Filterverlusten messen wir noch ca. 770m3/m, wir sind also in der gewünschten Größenordnung. Leise ist leider anders, deswegen der Drehzahlregler und wir müssen noch messen, wieviel Durchsatz er bei "leise genug" hat.

Der Ventilator ist hier noch falsch herum montiert (es wird nicht nach oben ausgeblasen).

Und hier meine Version 0.9 von Variante A aus 5mm HDF Platten, 36mm Kantholz und mit Gummifüßen unten. Die Filter sind leicht an den Seiten am Kantholz festgeklebt. Der Ventilator ist von unten gegen die HDF Platte geschraubt. Die kleinen Klötze sind festgeleimt und fangen die Schraubenspitzen auf.

Die Geräuschentwicklung wurde von einer Grundschullehrerin als "ok für mich" beurteilt, die Kinder wären lauter :- ). Gemessen haben wir später 48dB, was grenzwertig ist. Eine Klasse ist allerdings selten leiser als 50dB, es kommt also sehr darauf an, wo man ihn aufstellt.

Der Vorteil dieses Designs ist, dass die Luftsäule nach oben sehr gut/deutlich ist und man sehr wenig Material benötigt. Die Kosten für Teile (Filter, Ventilator, Kabel, Holz, HDF Platte) liegen bei ca. 120 EUR, also bei einer Klasse von 24 Kindern bei 5 EUR pro Kind.

Variante A Mk III - bestes Preis-Leistungs-Verhältnis

Hier eine erste Version einer Variante A mit Gleichstrommotor. Das Stichwort ist "Motorkühlungsventilator" und die können schnell >2500m3/h bei um die 80W Leistungsaufnahme :- ). Hier ein 30cm Ventilator an einem 12V Netzteil mit 34W.

Mit dem 34W Netzteil zieht er durch die Filter maximal 1500m3/h, rauscht dabei aber mit 63db (bei 1m Abstand), was sicher zu laut ist. Bei 40db zieht er ca. 600m3/h und bei bei 30db dann so 350m3/h.
40db sind für ein Klassenzimmer völlig ok, etwas mehr sicher auch, d.h. mit einem Gerät bekommt man eine Luftwechselrate von bis zu 3/h bei akzeptabler Lautstärke hin. Wenn man zwei Raumluftfilter aufstellt, kann man auch mit weniger Durchsatz arbeiten.

Leider ist die Luftsäule über dem Ventilator nicht so "deutlich", hier könnte man noch über eine Führung nachdenken. Die "Gitter" hier sind noch nicht kindersicher, da muss noch was drüber.

Was man auf dem Foto nicht gut erkennen kann: hier ist zwischen der oberen Platte und den Filtern jeweils noch ein 15mm Kantholz und die Kanthölzer an den Ecken sind 255mm lang. Das ist notwendig, weil dieser "30cm Ventilator" an zwei Seiten breiter ist, als die Filter lang sind. Man könnte die Filter aber auch überstehen lassen.

Filter 70 EUR, Ventilator 30 EUR, Netzteil 20 EUR, Holz 10 EUR, Regler 5 EUR und man liegt auch hier bei ca. 5 EUR pro Kind.

Variante B "Impressionen"

Wir dachten, PC-Ventilatoren sind auch gute Kandidaten, weil günstig und leicht verfügbar. Das gilt aber nur für die, die keinen großen Druck aufbauen müssen. Auf statischen Druck optimierte PC-Lüfter sind dann teurer als ein großer Lüfter und daher nur zu empfehlen, wenn man noch welche "übrig" hat.

Aufbau zum Messen:

Vier 140mm Gehäuselüfter, die auf statischen Druck optimiert sind, schaffen nach Filterverlusten wohl auch ca. 770m3/h. Die Luftsäule ist aber natürlich nicht so ausgeprägt, was vielleicht die Luftumwälzung im Raum reduziert.
Hier im Bild die Arctic aus dem Artikel oben, die zusammen bestenfalls 450m3/h nach Verlusten durchsetzen, aber dafür angenehm leise sind.

Nachfolgend die Version 1.0 von Variante B, aus 5mm HDF Platten, 36mm Kantholz, Gummifüßen oben und unten und mit Gitter über den Ventilatoren, damit keiner die Finger reinstecken kann :- ) Die Filter sind hier einfach gegen das Holz geklebt. Für einen Wechsel kann man sie mit einem Teppichmesser rausschneiden. Man könnte natürlich auch gut mit Schienen arbeiten wie bei Micha, siehe oben.

Das hier verwendete Gitter ist zu fein und verursacht signifikante Verluste. Es muss ein gröberes Gitter verwendet werden.

Die Kosten sind mit Filter 70 EUR, Ventilatoren 40-120 EUR (je nach Druck), Netzteil 25 EUR, Holz 10 EUR und Kleinteile 5 EUR deutlich höher, aber auch bei der Verwendung von Noctua Ventilatoren noch unter 10 EUR pro Kind.

Hinweise zum Selbstbau

Wenn Ihr in Sachen Werkzeug nicht ausgestattet seid oder Zeit sparen wollt, dann lasst Ihr Euch die 5mm HDF Platten (38x38cm) und die 36x36mm Kanthölzer (24cm oder 25,5cm, siehe oben) schon im Baumarkt zuschneiden. Sonst Stichsäge oder Fuchsschwanz.

Mit 38x38cm stehen die Platten unten und oben über Kantholz plus Filter. Siehe Fotos. Das ist Absicht, falls später vor die Filter auch noch ein Gitter muss.

Das Loch in der oberen Platte für den Ventilator kann man am besten mit einer Stichsäge aussägen. Aber es geht auch mit einer 10 EUR Laubsäge!
Wir haben die Umrisse des Ventilators einfach mit Bleistift umrissen und dann das Innenmaß von Hand nachgezeichnet, auf den Millimeter kommt es hier nicht an.

Die Filter habe ich schlicht an die Kanthölzer geleimt. Nur an den Seiten und nur leicht. Das hält, wenn keiner dagegen tritt und wenn das Risiko besteht, dann lieber mit Gitter arbeiten.

Die Kanthölzer sind von unten mit jeweils zwei 3,5x16 Spanplattenschrauben an der Bodenplatte befestigt, damit sie sich nicht drehen. Von oben dann nur eine Schraube pro Ecke.

Die Füße sind aus einer 2cm Gummimatte ausgeschnitten und mit Heißkleber befestigt.

Den Ventilator kann man mit Schraube & Mutter, mit den beigelegten Befestigern oder ggf. mit Kabelbindern an der HDF Platte befestigen.

In die Bodenplatte muss ein Loch für das Stromkabel.

Ob Ihr den Drehzahlregler von Außen erreichbar macht, müsst Ihr selbst entscheiden. In der Praxis kann das schlecht sein, wenn dann Schüler daran herumspielen. Da wäre es besser, die Drehzahl auf den Raum anzupassen und den Regler im Gehäuse zu lassen.

Effektivitäts-Messungen V 0.1 "Wohnzimmer"

Wie oben schon geschrieben muss gemessen werden, um sicherzustellen, daß das ganze nicht nur auf dem Papier, sondern auch in der Praxis funktioniert. Erster Durchlauf ist in einem Wohnzimmer mit einer 500W Nebelmaschine für 40 EUR.

Erstmal die "Grundbelastung" bzw. den Normalzustand messen:

Dann geben wir einen ca. 5 Sekunden Nebelstoß in den Raum:

Und dann schauen wir nach 5 Minuten wieder nach. Der Raumluftreiniger ist noch nicht eingeschaltet, aber das Wohnzimmer hat eine Luftwechselrate von 0, 5 (einmal alle 2h), weil ich die kontrollierte Wohnraumlüfung nicht abgeschaltet habe.

Und nach 10 Minuten:

Und nach 15 Minuten:

Nach 20 Minuten sind wir dann wieder ungefähr bei der Grundbelastung:

Und dann stellen wir die Variante B (druckoptimierte PC Lüfter) auf und machen das ganze nochmal). Hier sieht es nach 5 Minuten ganz anders aus:

Es sind mehr als die Hälfte der Partikel ausgefiltert! Und nach 10 Minuten?

Nach 10 Minuten sind wir praktisch wieder beim Normalzustand. Ich muss sagen, das ist ziemlich beeindruckend. Aber natürlich ist unser Wohnzimmer deutlich kleiner als ein Klassenzimmer und also ist der Raumluftreiniger hier überdimensioniert.

Effektivitäts-Messungen V 0.2 "Meetingraum"

Der Micha hat mit einer 1500W Profi-Nebelmaschine in einem Meetingraum gemessen.

Im ersten Versuch hat er den Raum eingenebelt, festgestellt, dass auch nach über einer Stunde noch nichts (messbar) weg ist und dann den Raumluftreiniger (Variante A, siehe oben) eingeschaltet, der den Raum in ca. 30m "bereinigt" hat.

Diese Nebelmaschine hat eine Funktion, mit der man einen kleinen, aber ständigen Nebeleintrag (wie das Atmen von 25 Kindern :- ) erzeugen kann. Als nächstes soll gemessen werden, wie sich ein Raum ohne Lüftung, mit Fensterlüftung und mit Raumluftfilter verhält.

Effektivitätsmessungen V. 0.3 Klassenzimmer:

Hier durfte ich eine knappe Stunde im Klassenzimmer meines kleinen Kindes an der Grundschule messen. Es handelt sich um einen Neubau, das Volumen des Raumes sind 210m3. Leider habe ich nur zwei Messungen geschafft, dann kam die Klasse reingetobt und ich musste die Nebelmaschine, den Raumluftfilter und alles erklären -- mehrmals, weil nicht alle Kinder auf einmal reinkamen... :- )

Ich konnte also nicht messen, wie schnell die Kurven runter gehen, wenn man lüftet und auch nicht, wie gut die stärkeren Ventilatoren funktionieren, denn die hier getestete Version kann in diesem Raum nur eine Luftwechselrate von ca. 1,5/h.

Weil die Kurven bei Messreihe 1 (Blau), be geschlossenen Fenstern schon nach 20 Minuten fast auf "Normalzustand" waren, glaube ich, dass ich Lüftungsschlitze übersehen habe. Es kann aber auch sein, dass sich der wenige Nebel einfach gut im Raum verteilt hat.

Bei Messreihe 2 (Rot) sind die Zahlen schon nach 15 Minuten auf Normalzustand. Man kann also sehen, dass der Filter einen Unterschied macht.

Effektivitätsmessungen V. 0.4 Biologieraum:

Jetzt konnte ich mit meinem großen Kind in einem Bio-Raum des Gymnasiums messen. Der Raum hat ca. 230m3 bei zum Teil über 4m Raumhöhe. Er ist aber recht schlecht über die Fenster zu belüften, weil diese nur auf einer Seite des Raums sind.

Wir haben mit der 500W Nebelmaschine Nebel eingebracht und dann alle 5 Minuten gemessen. Dabei haben wir den Fehler gemacht, zu viel Nebel einzubringen, so daß die PM 2.5 und PM 10 Anzeigen über lange Zeit "am Anschlag waren". Zum Glück hat das Messgerät aber auch einen Messwert für Partikelanzahl pro Liter und damit kann man einen Unterschied feststellen:

Wie man sehen kann, fällt bei geschlossenen Fenstern die Kurve schon ab, weil sich Nebel (weiter) im Raum verteilt oder absetzt. Wenn die Fenster geöffnet werden, dann fällt die Kurve steiler ab. Einen 950m3/h Ventilator ins Fenster zu setzen hat das Lüften nicht beschleunigt (wahrscheinlich sollte man ihn in die Tür setzen). Dann haben wir die Fenster geschlossen und den Raumluftfilter (Variante B mit ca. 500m3/h) eingeschaltet und die Kurve wird sogar noch einen Hauch steiler. Und der Raumluftfilter kann ja die ganze Zeit laufen, während es bei den (kommenden) Temperaturen nicht möglich sein wird, die Fenster ständig geöffnet zu lassen.

Wenn Ihr selber messt: bringt nicht so viel Nebel in den Raum ein, aber nutzt (kräftige) Ventilatoren, um den Nebel im Raum zu verteilen, bevor Ihr mit dem Messen startet.

Hinweise, Fragen, Anregungen, Kritik gerne als DM oder in den Kommentaren.