Sensoren verbessern die IAQ
Verbesserung der Luftqualität in Innenräumen: Welche Rolle spielen Sensormodule bei der Überwachung und Verbesserung unserer Gesundheit und Produktivität?
Alex Pluemer für Mouser Electronics
Seit der Klimawandel den Planeten unablässig erwärmt und in heißeren, trockeneren Gegenden Waldbrände verursacht, sind Luftqualitätsindizes (Air Quality Indexes, AQI) weltweit zu einem festen Bestandteil von Wettervorhersagen geworden. AQI geben Auskunft über die Menge an Feinstaub (z. B. Asche oder Abgase) und andere Schadstoffe in der Luft, und informieren die Bevölkerung darüber, wenn diese eine für Menschen gefährliche Konzentration erreichen. Für gewöhnlich werden AQI herangezogen, um die Qualität der Außenluft zu beschreiben – doch wie steht es um die Luftqualität in Innenräumen?
Eine ungesunde Luftqualität im Freien kann oft ohne technische Hilfsmittel festgestellt werden (z. B. Rauch in der Luft oder ein starker Geruch), aber eine schlechte Luftqualität in Innenräumen ist nicht so leicht zu erkennen. Wenn Sie die meiste Zeit des Tages in Ihrem Zuhause, einer Schule oder einem Büro verbringen, wirkt sich die Qualität der Luft in Innenräumen mit größerer Wahrscheinlichkeit auf Ihre Gesundheit aus als die Außenluft.
Verschmutzte Außenluft kann sich auf die Luftqualität in Innenräumen auswirken. Etliche weitverbreitete Schadstoffe in der Raumluft lassen sich jedoch ausschließlich mithilfe von Überwachungstechnologien feststellen bzw. quantifizieren. Schadstoffe wie Kohlenmonoxid (CO), Passivrauch sowie Schimmel und Bakterien können in der Luft von Innenräumen nachgewiesen werden und führen aufgrund anhaltender Exposition zu ernstzunehmenden Gesundheitsauswirkungen. Die Gesundheit und Sicherheit ihrer Mitarbeiter bzw. Schüler gehören zu den vorrangigen Verantwortlichkeiten jeder Firma bzw. Einrichtung, und die Überwachung der Luftqualität in Innenräumen leistet einen wesentlichen Beitrag zur Aufrechterhaltung sicherer und gesunder Räumlichkeiten. Das kann nicht zuletzt zu höherer Produktivität und besserer Arbeitsmoral führen.
Sensormodule wie das SEN5x von Sensirion unterstützen die Überwachung der Luftqualität in Innenräumen und erweitern die bestehende Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (HVAC) sowie Luftreinigungssysteme, indem sie Schadstoffe in der Luft in Echtzeit erfassen und Endnutzern akkurate und verlässliche Messwerte ohne notwendige langwierige Rekonfiguration liefern. In diesem Artikel widmen wir uns einigen der häufigsten Schadstoffe in der Luft sowie der Frage, wie Geräte wie das SEN5x Endnutzer bei der Umsetzung gesunder und produktiver Einrichtungen unterstützen können.
Messung der Luftqualität
Die häufigsten Schadstoffe in der Luft sind wie bereits erwähnt die sogenannten Feinstäube – mikroskopisch kleine und oft durch Verbrennung hervorgerufene Feststoffpartikel – die wir häufig einatmen, ohne es überhaupt zu merken. Ist die Außenluft mit Feinstaub angereichert, kann es für Menschen ratsam sein, bei geschlossenen Fenstern in Innenräumen zu bleiben oder Atemmasken zu tragen, falls sie sich länger im Freien aufhalten müssen. Viele Privathäuser, Schulen und Bürogebäude sind mit Luftfilterungssystemen ausgestattet, um Feinstaub aus der Luft zu filtern. Nichtsdestotrotz sind stets kleine Restmengen an Feinstaub vorhanden (außer in Reinraumumgebungen).
Die Qualität der Innenluft wird häufig von anderen Luftschadstoffen in Mitleidenschaft gezogen, etwa von Gasen, die ohne entsprechende Überwachung ernstzunehmende gesundheitliche Probleme verursachen können. Hohe CO-Werte in der Luft können zu schweren Erkrankungen, Bewusstlosigkeit oder sogar zum Tod führen. CO-bedingte Erkrankungen und Todesfälle stehen häufig mit Heizungen oder anderen Haushaltsgeräten in Verbindung, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden; eine unvollständige Verbrennung setzt ein unsichtbares, geruchloses Gas frei, das die Luft in Gebäuden ohne angemessene Belüftung anreichern kann.
Kohlendioxidwerte (CO2) in der Luft sollten unbedingt überwacht werden. Obwohl die unerwünschten Wirkungen einer CO2-Exposition normalerweise glimpflicher ausfallen als jene, die mit CO in Verbindung stehen, können sie mit langfristigen Auswirkungen verbunden sein. Personen in CO2-gesättigten Umgebungen leiden häufig unter Schwindel und zuweilen unter Kopfschmerzen oder Übelkeit. Gegenwärtig sind in 38 US-Bundestaaten sowie in Washington, D.C. CO-/CO2-Detektoren in allen privaten Wohnsitzen gesetzlich vorgeschrieben, doch nur fünf Bundesstaaten verlangen diese auch in Schulen. CO-Vergiftungen treten für gewöhnlich in beengten Räumen auf, weshalb CO-Messgeräte in weitläufigeren Bürogebäuden bzw. Produktionsstätten nicht erforderlich sind. Das Messen der CO2-Werte bietet Gebäudeverwaltern eine Möglichkeit, die Leistungsfähigkeit ihrer HVAC-Systeme festzustellen, weshalb eine effiziente CO2-Erfassung und -Überwachung weitreichende Auswirkungen auf die Luftqualität in Innenräumen haben kann.
Auch Schimmel bzw. Schimmelsporen gehören zu den häufigen Schadstoffen in der Luft, die für gewöhnlich aufgrund von Feuchtigkeit auftreten und nicht immer ganz einfach aufzuspüren sind. Hausbesitzern und Gebäudeverwaltern stehen mittels Überwachung der Feuchtigkeit bzw. Kondensationswerte in Innenräumen vorbeugende Maßnahmen gegen Schimmel an unzugänglichen Stellen zur Verfügung. Außerdem kann übermäßige Feuchtigkeit zu Bakterien in der Luft führen, die womöglich schädlich für den Menschen sind; ein weiterer Grund, die Feuchtigkeitswerte in Innenräumen lückenlos zu überwachen.
Flüchtige organische Verbindungen (Volatile organic compounds, VOC) sind beinahe überall dort Bestandteil der Außenluft, wo Menschen leben bzw. arbeiten, kommen jedoch für gewöhnlich in Innenräumen in höheren Konzentrationen vor. VOC sind Gase, die von chemischen oder anderen flüssigen bzw. festen Substanzen freigesetzt werden. Sie finden sich in unzähligen Gütern, von Reinigungsmitteln und Farben bis hin zu Büroausstattung und Möbelstoffen, wieder. Die Verringerung des VOC-Expositionsrisikos hängt üblicherweise mit der angemessenen Lagerung von Gefahrstoffen und der Verbesserung der grundlegenden Luftströme bzw. Belüftung zusammen. Dennoch können sogar geringe Konzentrationen bestimmter VOC (wie Formaldehyd) in der Luft gesundheitsschädlich sein.
Karzinogene wie Radon oder Asbest kommen in Gebäuden vor, die mithilfe von mittlerweile verbotenen Baustoffen errichtet wurden. Obwohl die gesundheitsschädlichen Auswirkungen dieser Stoffe aufgrund längerer Exposition womöglich weniger unmittelbar auftreten als bei einer CO-Exposition, können diese ebenso schwerwiegend und sogar tödlich sein. Sowohl die Radon- als auch die Asbestexposition erhöht nachweislich das Lungenkrebsrisiko.
Technologien zur Überwachung der Luftqualität
Geräte zur Überwachung der Luftqualität gibt es in allen möglichen Ausführungen; sie sind erhältlich in unterschiedlichen Formfaktoren und haben verschiedene Merkmale bzw. Funktionen. Abhängig vom Benutzungsstandort bzw. -umfeld können kleinere AQ-Überwachungsgeräte von Vorteil sein, deren geringere Größe jedoch womöglich mit Funktionalitätseinbußen verbunden ist. Daneben können die meisten AQ-Sensoren nur bestimmte Schadstoffe in der Luft messen. Eine vollständige Erfassung ist daher nur mit einer Kombination verschiedener Sensoren möglich.
Das Umgebungssensormodul SEN5x von Sensirion erfasst hingegen Feinstäube, VOC, Stickoxide sowie die relative Temperatur und Feuchtigkeit. Es misst Feinstaub, indem es einen Laser emittiert, der dann vom Feinstaub in der Luft zur Fotodiode des Geräts reflektiert wird. Je mehr Licht zur Fotodiode zurückgeworfen wird, desto größer die Feinstaubpartikel. Diese Methode liefert sehr viel genauere Messwerte als Geräte, die ein konisches oszillierendes Element verwenden, das lediglich Stäube von einer bestimmten Größe wahrnimmt. Zudem bietet die Fotodetektion genauere Messungen, und zwar für gewöhnlich binnen Sekunden nach dem Beginn des Erfassungszyklus.
Durch die Erfassung der Luftschadstoffe in Intervallen von einer Sekunde oder weniger ermöglicht das SEN5x kontinuierliche Echtzeit-AQ-Messungen in einem kleinen Formfaktor von 53 mm×44 mm×22 mm. Beim SEN5x handelt es sich um ein vollständiges Sensormodul mit multiplen Sensoren in einem Gehäuse, das dank Mantelstromtechnologie über erhöhte Beständigkeit gegen Staub bzw. Feinstaub verfügt, wodurch es auch in anspruchsvolleren Umgebungen wie Fabriken oder Produktionseinrichtungen verwendet werden kann. Das SEN5x umfasst zudem Lüfter mit geprüfter Luftstromgeometrie, die für optimale Funktionalität sorgen und die Gerätelebensdauer erhöhen, die auf über zehn Jahre geschätzt wird. Der Lüfter verfügt über eine Selbstreinigungsfunktion, um angesammelten Staub und Feinstaub zu entfernen, während der Sensor sich im Messmodus befindet. Das Intervall zwischen Reinigungszyklen kann angepasst werden, falls das Sensormodul in stark verunreinigten Bereichen zum Einsatz kommt.
Das SEN5x-Modul verfügt über eine I²C-Schnittstelle, um sie einfach mit bestehenden HVAC-, Luftreinigungs- und Luftgüteüberwachungssystemen zu koppeln und teure, zeitraubende Rekonfigurationen zu vermeiden. Zudem nutzt es vorinstallierte, proprietäre Algorithmen zur Temperatur- und Feuchtigkeitskompensation und VOC-Indexberechnung, für eine noch nahtlosere Verknüpfung mit bestehenden Systemen und um Entwicklern das mühevolle Schreiben eigener Codes zu ersparen. Diese Algorithmen umfassen die Sensirion Temperature Acceleration Routine (STAR) Engine, die Endbenutzern um bis zu dreimal schnellere und konkurrenzlos verlässliche Temperaturmessungen ermöglicht. Das SEN5x bietet ab Installation einen vollständig kalibrierten Digitalausgang und Neustarts dauern höchstens 50 ms, was die von anderen AQ-Überwachungsgeräten her bekannten Kalibrierungs- und Anlaufzeiten in den Schatten stellt.
Das SEN5x verbraucht im Normalfall lediglich zwischen 0,7 mA und 70 mA Versorgungsstrom bzw. höchstens 100 mA, was Kunden möglicherweise das Neuverkabeln bzw. Rekonfigurieren bestehender elektrischer Anordnungen erspart. Der Lärmpegel dieses Geräts liegt im Durchschnitt gerade einmal bei 24 dB, wodurch es als unaufdringlich und auch in den geräuschärmsten Arbeitsumfeldern kaum als störend empfunden werden.
Luftqualität, Gesundheit und Produktivität
Obwohl gegenwärtig keinerlei bundesstaatlich oder international anerkannte Normen für gesunde Luft existieren, arbeiteten US-Behörden wie das Environmental Protection Agency (EPA) und die Centers for Disease Control (CDC) an der Formulierung einzelner empfohlener Richtlinien für unbedenkliche Expositionswerte in Bezug auf die meisten gängigen Luftschadstoffe. Chemische Luftschadstoffe wie CO oder CO2 werden in ppm (parts per million) gemessen. CO2-Werte zwischen 400 ppm und 650 ppm gelten in Innenräumen als normal, wohingegen Werte von 800 ppm oder höher erste unerwünschte Wirkungen auslösen können. Hohe CO2-Anteile in der Luft sind nicht nur gesundheitsschädlich, sondern können sich auch massiv auf die Produktivität am Arbeitsplatz auswirken.
Wenn Sie sich schon einmal in einem überfüllten, stickigen Raum aufgehalten haben, kennen Sie das Gefühl vielleicht: Ihre Augenlider werden schwer, die anderen Stimmen im Raum werden zu Hintergrundrauschen und Ihre Gedanken driften ab. Vielleicht war Ihr Meeting einfach langweilig, aber es kann sich genauso gut um die Auswirkungen von zu viel CO2 gehandelt haben. Studien belegen, dass der CO2-Anteil in der Luft direkt mit der Produktivität und Stimmung am Arbeitsplatz korreliert. Eine bessere Belüftung bedeutet also fröhlichere, fleißigere Mitarbeiter. Getreu dieser Logik überwachen beispielsweise Casinos die CO2-Werte, um sicherzugehen, dass ihre Gäste nicht zu sehr ermüden und reichern die Innenluft sogar mit Sauerstoff an, um Gäste bei Laune zu halten.
Andere Luftschadstoffe sind nur in winzigen Konzentrationen unbedenklich (wie Formaldehyd, dessen empfohlene Expositionswerte bei gerade einmal 0,2 ppm liegen) oder ausnahmslos gefährlich (wie Radon oder Asbestfasern). Feinstaub in der Luft wird in Mikrogramm pro Kubikmeter (µg/m3) gemessen. Gemäß EPA-Empfehlungen sollten Werte für PM2,5 (Feinstaubpartikel mit einem Durchmesser von maximal 2,5 Mikrometern) 12 µg/m3 und für PM10 (größerer Feinstaub mit einem Durchmesser von über 10 Mikrometern) 54 µg/m3 nicht überschreiten, da größere Feinstaubpartikel für die menschliche Lunge leichter zu bewältigen bzw. herauszufiltern sind als kleinere.
Außerdem trägt die optimale Funktionsfähigkeit von HVAC-Systemen ihren Teil dazu bei, die Übertragung von Krankheiten wie COVID-19 über die Luft zu verhindern, was Unternehmen Zeit und Geld aufgrund von krankheitsbedingten Ausfällen und verringerter Produktivität spart. Zwar sind AQ-Überwachungsgeräte, die Krankheitserreger in der Luft aufspüren können, im Handel kaum erhältlich, doch kann die Überwachung von Schadstoffen wie CO2 die Luftströme an sich bzw. die Belüftung verbessern und das Risiko einer Krankheitsübertragung verringern.
Fazit
Die Aufrechterhaltung einer gesunden Luftqualität ist entscheidend für ein sicheres und gesundes Arbeits- und Lernumfeld. Leistungsstarke HVAC- und Luftreinigungssysteme benötigen Sensoren, um Gebäudeverwalter darüber zu informieren, wie gut sie funktionieren und wie sie verbessert werden können. Sensormodule wie das SEN5x von Sensirion stellen diese Informationen in Echtzeit und mit außergewöhnlicher Genauigkeit zur Verfügung. Auf diese Weise erhalten Endbenutzer die nötigen Daten, um ihre Umgebung im Bedarfsfall anzupassen. Darüber hinaus lassen sich diese Geräte auch noch spielend einfach in bestehende Systeme integrieren. Ob zu Hause, in der Schule, im Büro oder in der Fabrik ist die Überwachung der Luftqualität entscheidend für die Gesundheit sowie das Wohlergehen, und AQ-Sensormodule wie das SEN5x sind unerlässlich, um zeitnahe und zuverlässige Messwerte zu erhalten.