Technische IAQ-Überwachung für moderne Gebäude mit integrierten modernen Sensoren

Zu Hause, im Büro und in der Schule verbringen die Menschen sehr viel Zeit in Innenräumen. Nach Angaben der US-Umweltschutzbehörde EPA (Environmental Protection Agency) verbringen die Amerikaner etwa 90% ihrer Zeit in Innenräumen, wo die Schadstoffkonzentration zwei- bis fünfmal höher ist als im Freien. Laut EPA stammen die meisten Schadstoffe, die die Luftqualität in Innenräumen beeinträchtigen, aus Quellen innerhalb der Gebäude, obwohl einige auch aus dem Außenbereich stammen können.

Da die Luftqualität in direktem Zusammenhang mit der Gesundheit und dem Wohlbefinden der Menschen steht, ist die Überwachung der Luftqualität immer wichtiger und alltäglicher geworden. Das Interesse an diesen Lösungen, die durch Fortschritte bei den Luftqualitätssensoren ermöglicht werden, wird durch gesetzliche Vorschriften noch verstärkt.

Verschmutzungsquellen in Innenräumen und im Freien

Zu den typischen Quellen, die zur Luftverschmutzung in Innenräumen beitragen, gehören Tabakrauch, brennstoffbetriebene Geräte, holz- und kohlebefeuerte Kamine, Baumaterialien und Einrichtungsgegenstände sowie Haushaltsprodukte wie Reinigungsmittel, Farben und Lufterfrischer. Während Rauch und Feuer Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und Feinstaub (PM) direkt in die Raumluft freisetzen können, können Haushaltsprodukte viele verschiedene Chemikalien direkt in die Raumluft einbringen, darunter flüchtige organische Verbindungen (VOC).

Die relative Luftfeuchtigkeit (RH) und die Temperatur gelten ebenfalls als wichtige IAQ-Parameter, da sie sich auf das Wohlbefinden und die Gesundheit des Menschen sowie auf die Menge anderer Schadstoffe in der Luft auswirken.

Von außen können Luftschadstoffe wie Rauch aus Schornsteinen durch Fenster, Lüftungsanlagen und Risse in der Bausubstanz wieder in die Wohnung eindringen, während Radon aus dem Fundament von Gebäuden ebenfalls durch Risse oder Spalten eindringen kann. Flüchtige Chemikalien in der Wasserversorgung können auch die Innenraumluft verschmutzen, wenn die Hausbewohner das Wasser zum Duschen, Kochen und Reinigen verwenden. Darüber hinaus bringen Menschen beim Betreten von Gebäuden unbeabsichtigt Erde und Staub mit ihren Schuhen und ihrer Kleidung ein, zusammen mit Schadstoffen, die an diesen Partikeln haften.

Hinzu kommen biologische Schadstoffe in der Raumluft wie Viren und Bakterien, Tierhaare, Hausstaub, Milben und Pollen, die von Menschen, Tieren und Pflanzen erzeugt werden.

Gesundheitsgefahren durch Luftverschmutzung

Eine gute Luftqualität ist entscheidend für die menschliche Gesundheit. Schlechte Luftqualität kann zu Problemen führen, die von Atemwegserkrankungen bis hin zu Müdigkeit und Allergien reichen, einschließlich Reizungen der Augen, der Nase und des Rachens. Weitere schwerwiegende Gesundheitsprobleme im Zusammenhang mit Innenraumluftschadstoffen sind Herzerkrankungen und Krebs.

Der Zusammenhang zwischen weit verbreiteten Schadstoffen in Innenräumen wie Radon, CO und Legionella-Bakterien und schädlichen Gesundheitsproblemen ist allgemein bekannt. So ist beispielsweise Radon, ein bekanntes Karzinogen für den Menschen, die Hauptursache für Lungenkrebs bei Nichtrauchern. Auch eine kurzfristige Exposition gegenüber erhöhten CO-Werten in Innenräumen kann tödlich sein. Darüber hinaus wurden Fälle von Legionärskrankheit, einer Form der Lungenentzündung, die durch den Kontakt mit Legionellen verursacht wird, mit Gebäuden in Verbindung gebracht, die über schlecht gewartete Klimaanlagen oder Heizungssysteme, Whirlpools und Rohrleitungen verfügen.

Normen für gesundes Bauen und deren Einhaltung

Im Laufe der Jahre wurden mehrere Normen für die Überwachung und Aufrechterhaltung der IAQ festgelegt. Es ist wichtig, dass die Eigentümer von Wohn- und Geschäftsgebäuden diese so weit wie möglich einhalten, um das Wohlbefinden der Bewohner zu gewährleisten.

Zu den Agenturen, die solche Richtlinien bereitstellen, gehören das US-EPA, die Weltgesundheitsorganisation (WHO), die Occupational Safety and Health Administration (OSHA), die American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning (ASHRAE) und das WELL Building Institute. Zu den bekannten Gebäudestandards, die Systeme zur Überwachung und Aufrechterhaltung einer guten IAQ erfordern, gehören der California Title 24 (CA 24), der von der kalifornischen Energiekommission entwickelt wurde, und das Bewertungssystem Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) des U.S. Global Building Council (USGBC). Insbesondere der RESET Air Standard ist ein weltweit anerkannter Maßstab für die IAQ-Überwachung und -Zertifizierung, der sich auf die datengestützte Echtzeitmessung wichtiger IAQ-Parameter konzentriert.

Universelle Sensoren zur genauen Überwachung der Luftverschmutzung

Für Sensorhersteller wie Sensirion ist die Einhaltung einschlägiger Baunormen unabdingbar, um die Erwartungen des Marktes zu erfüllen. Infolgedessen haben sie Produkte entwickelt und gebaut, die mit RESET, WELL, CA24 und LEED kompatibel sind. Im Gegensatz zu herkömmlichen Produkten, die mehrere Sensoren für die Überwachung von IAQ-Parametern benötigen, hat Sensirion die Aufgabe vereinfacht, indem sie eine integrierte Lösung in einem kompakten, einfach zu implementierenden Modul, der Sensorplattform SEN6x, entwickelt hat (Abbildung 1).

Mithilfe integrierter Algorithmen kann sie bis zu neun Umweltparameter messen, darunter PM1, PM2.5, PM4, PM10, Luftfeuchtigkeit, Temperatur, VOC-Index, NOx, Kohlendioxid (CO₂) und/oder Formaldehyd (HCHO).

Abbildung 1: Die universelle Sensorplattform SEN6x ist in der Lage, bis zu neun Umweltparameter zu messen. (Bildquelle: Sensirion AG)

Die Schlüsselkomponente des SEN6x-Moduls ist die PM-Sensoreinheit des miniaturisierten mikroelektromechanischen Systems (MEMS), bekannt als SPS6x. Die patentierte geometrische Anordnung, das moderne MEMS und die Gehäusetechniken ermöglichen die Integration von Lichtquelle, Detektor, Signalverarbeitung und Algorithmus in eine kostengünstige und kompakte Lösung zur Messung von PM1, PM2.5, PM4 und PM10. Die bordeigenen Algorithmen analysieren das gestreute Licht, um die Größenverteilung und die Massenkonzentration der Partikel zu bestimmen. Die innovative chipgroße PM-Sensorik in Kombination mit dem patentierten Mantelfluss ermöglicht es den SEN6x-Sensoren, einen beispiellosen Staubschutz und eine lange Lebensdauer bei sehr geringem Stromverbrauch zu bieten.

Das wichtigste Modell dieser Serie ist das SEN66, das PM, RH, Temperatur, VOC, NOx und CO₂ messen kann. Um dem Benutzer eine schnellere und zuverlässigere Temperaturmessung durch das integrierte Sensormodul zu ermöglichen, implementiert das SEN66 die proprietäre Sensirion Temperature Acceleration Routine (STAR). Dieses System schätzt dynamisch den Temperaturwert, bevor das Endprodukt einen thermisch stabilen Zustand erreicht.

Für die Anwendungsentwicklung bietet Sensirion das Evaluierungskit SEK-SEN66 an (Abbildung 2). Im Lieferumfang enthalten sind der integrierte Sensorknoten SEN66 zur Messung mehrerer Schadstoffe, ein Adapterkabel und einen Überbrückungsdrahtsatz für den Prototypenbau.

Abbildung 2: Das Evaluierungskit SEK-SEN66 enthält das integrierte Sensormodul, ein Adapterkabel und einen Überbrückungsdrahtsatz für Anschlüsse und Prototyping. (Bildquelle: Sensirion AG)

Um die benutzerfreundliche Software „ControlCenter“ von Sensirion nutzen zu können, muss der Benutzer die SEK-SensorBridge (Abbildung 3) separat erwerben, welche die Schnittstelle zwischen dem Sensor und einem Host-Computer darstellt.

Abbildung 3: Die SEK-SensorBridge ist das universelle Schnittstellen-Tool von Sensirion zur Auswertung ihrer Sensoren. (Bildquelle: Sensirion AG)

Der technische Leitfaden zur SEK-SensorBridge erklärt den physikalischen Anschluss des Sensor-Evaluierungsboards an die SensorBridge über das Adapterkabel und den Anschluss an einen PC über das USB-Kabel.

Diskrete IAQ-Sensoren

Sensirion bietet auch verschiedene diskrete CO₂-, RH- und Temperatursensoren an. Für die CO₂-Überwachung gibt es zwei bemerkenswerte Optionen, den SCD43 und den STCC4 (Abbildung 4). Während der SCD43 ein photoakustischer CO₂-NDIR-Sensor (NDIR = Nicht-Dispersiver Infrarot Sensor) ist, setzt der STCC4 Techniken zur Messung der Wärmeleitfähigkeit ein. Der als CO₂-Sensor der nächsten Generation bezeichnete STCC4 hat den kleinste Footprint des Anbieters (4 mm x 3 mm x 1,2 mm) und lässt sich in kompakte elektronische Geräte integrieren.

Abbildung 4: Der STCC4 bietet einen der kleinsten Formfaktoren für kompakte elektronische Geräte. (Bildquelle: Sensirion AG)

Für Anwendungen, die sich auf Luftfeuchtigkeits- und Temperaturparameter in Innenräumen konzentrieren, bieten die Komponenten der diskreten Serie SHT4x hohe Genauigkeit bei reduziertem Stromverbrauch. Sie sind auf batteriebetriebene mobile Geräte zugeschnitten und entsprechen den Normen RESET und WELL.

Fazit

Um die Auswertung und Anwendung von IAQ-Monitoren zu vereinfachen, hat der Sensorexperte Sensirion universelle Lösungen entwickelt, die mehrere Sensoren mit Algorithmen und Software integrieren. Diese Lösungen ermöglichen die genaue Messung einer breiten Palette von Luftqualitätsparametern mit einem einzigen kompakten Modul. Die integrierten Sensormodule senken nicht nur die Kosten und verkürzen die Markteinführungszeit, sondern verbrauchen auch weniger Energie. Gleichzeitig bietet Sensirion diskrete Sensoren an, die sich durch ihre geringe Grösse, hohe Genauigkeit, Langzeitstabilität und einfache Integration auszeichnen.