Die Herausforderungen bei der CO2-Messung

Der gesundheitliche Nutzen von Frischluft lässt sich nicht abstreiten, und bei Frischluftmangel leiden unsere Gesundheit und unsere Konzentrationsfähigkeit. Leider gelingt es uns angesichts unseres hektischen Alltags nicht immer, so viel Zeit im Freien zu verbringen, wie wir gerne wollten. Unser Leben findet im Schnitt bis zu 90% in Innenräumen statt, und die meiste Zeit halten wir uns dabei in unseren eigenen vier Wänden auf. Auch wenn wir unser Zuhause regelmässig verlassen, so verbringen wir doch sehr viel Zeit in anderen Innenräumen, z.B. in Büros, Restaurants oder Geschäften. Dies zeigt deutlich, wie wichtig eine gute Raumluftqualität und eine gut funktionierende Überwachung des CO2-Gehalts sind, insbesondere in stark frequentierten Gebäuden.

Obwohl ein hoher CO2-Gehalt nicht gleichbedeutend ist mit schlechter Luftqualität, kann eine erhöhte CO2-Konzentration darauf hinweisen, dass der Raum zusätzlich belüftet werden muss. Zudem geht ein Anstieg des CO2-Gehalts häufig mit einem Anstieg der Konzentration an flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) einher, da beides vom Menschen emittiert wird. Es ist allgemein bekannt, dass schlechte Luft – insbesondere ein hoher Anteil an flüchtigen organischen Verbindungen – gesundheitsschädlich sein kann und dass dadurch das Risiko zur Übertragung von Viren wie SARS-CoV-2 über die Luft steigt. Darüber hinaus wirkt sich ein Frischluftmangel erheblich auf die Produktivität und die Konzentrationsfähigkeit aus – eine Behauptung, die durch zahlreiche Studien gestützt wird.

Extreme sind nie gut, und das gilt auch für die Lüftung. HLK-Systeme, die permanent unter Maximallast laufen, verbrauchen viel Energie und sorgen somit für exorbitante Stromrechnungen, insbesondere während sehr heisser oder kalter Phasen. Daher ist es nicht verwunderlich, dass derzeit die bedarfsgeregelte Lüftung als die optimale Lösung bei HLK-Systemen gilt und dass die CO2-Konzentration häufig als Regelparameter dient, da sie eng mit der Luftqualität zusammenhängt. Diese Applikation basiert auf Sensoren, die genaue Informationen zum CO2-Gehalt liefern und das System beim Erreichen eines bestimmten Grenzwerts aktivieren. Obwohl weltweit unterschiedliche Standards gelten, was den Komfort angeht, so gibt es doch in einem Punkt Übereinstimmung: Der CO2-Gehalt sollte stets unter 1'000 ppm und nicht über längere Zeiträume hinweg bei über 1'500 ppm liegen. Ein guter Kompromiss besteht darin, den CO2-Gehalt alle 30 Sekunden zu messen und anzupassen. So bleibt die Luft frisch, und die Energiekosten werden niedrig gehalten.

Ein normaler CO2-Sensor besteht aus einer Lichtquelle und zwei Detektoren (Abbildung 1). Wenn das Licht durch die mit Umgebungsraumluft gefüllte Messkammer strömt, wird es von den vorhandenen Molekülen absorbiert. Ein Detektor verfügt über einen Filter mit einem Fenster bei etwa 4.3 µm. Das entspricht einem Peak im CO2-Absorptionsspektrum. Das heisst, der Detektor registriert nur die durch die Anwesenheit von CO2-Molekülen verursachte Eliminierung von Licht. Der Referenzdetektor dagegen misst die Intensität des ungefilterten Lichts. Durch den Vergleich der beiden Messungen lässt sich der CO2-Gehalt bestimmen. Mithilfe der Doppelsensor-Konstruktion lässt sich auch einem durch die Schwächung der Lichtquelle oder durch kleine Staubpartikel bedingten Abfall der Lichtintensität entgegenwirken. Um die Robustheit der Sensoren weiter zu verbessern, sollten sie mit einer Staubschutzabdeckung versehen werden, die verhindert, dass Partikel die Detektoren beeinträchtigen.

Obwohl die Doppelkanal-Lösung als genau gilt, lassen sich alleine damit keine stabilen Langzeitmessungen gewährleisten, da die Basislinie aufgrund der Alterung der Sensorkomponenten im Lauf der Zeit zu driften anfangen kann. Das lässt sich mithilfe von automatischer Basislinienkorrektur (ABC) in den Griff kriegen. Dabei wird permanent der niedrigste Messwert des Sensors nachverfolgt, und sämtliche festgestellten Drifts werden korrigiert. Diese Lösung funktioniert gut bei Gebäuden, die über längere Zeiträume nicht genutzt werden, wie z.B. bei Büros, die am Wochenende geschlossen sind. Bei Einrichtungen, die rund um die Uhr belegt sind, wie z.B. Notaufnahmen von Spitälern, Logistikzentren oder Fabriken, ist dieser Drift jedoch nicht so leicht zu erkennen und zu beheben. Daher ist es wichtig, dass robuste Sensoren verwendet werden, die für genaue Langzeitmessungen sorgen, ohne dass eine ständige Kalibrierung erforderlich ist. So können sie unabhängig von den unterschiedlichen Arten der Belegung in sämtlichen Applikationen eingesetzt werden.

Ein Raumsensor muss in der Lage sein, den CO2-Gehalt unter sämtlichen Bedingungen genau zu messen. Er muss also eine gute Beständigkeit aufweisen sowohl gegenüber allmählichen als auch gegenüber akuten Druck-, Temperatur- und Feuchteschwankungen. Auch die Druckunterschiede in verschiedenen Höhen sind zu berücksichtigen, denn schon bei einer Erhebung von 400 m über dem Meeresspiegel kommt es bei der gemessenen CO2-Konzentration zu einer Abweichung von 70 ppm. Wenn man bedenkt, dass einige Aufsichtsbehörden – z.B. die Regierungsbehörden in einigen US-Bundesstaaten – eine Toleranz von lediglich ±75 ppm zulassen, dann bleibt nahezu keine Fehlerspanne mehr. Jeder leistungsstarke CO2-Sensor sollte daher über Absolutdruck-Kompensation verfügen (Abbildung 2)

Mithilfe von ausführlichen Prüfverfahren muss sichergestellt werden, dass der Sensor unter unterschiedlichen Bedingungen arbeiten kann und so langfristige Stabilität und Funktionsfähigkeit gewährleistet sind. Sensoren sollten daher über einen längeren Zeitraum – mehrere Wochen lang – getestet werden. Dabei müssen alle möglichen Wetterbedingungen abgedeckt werden, vor allem die Bedingungen, bei denen das Gerät bekanntermassen besonders stark beansprucht wird. Beispielsweise kann die Leistung bei nicht kondensierender feuchter Wärme bei 95% relativer Feuchte und 35°C geprüft werden, um sicherzustellen, dass der Sensor korrosionsbeständig und leistungsstabil ist. Auf der anderen Seite sollten Messungen bei trockener Wärme bei höheren Temperaturen – 60 bis 70°C – durchgeführt werden, um sicherzugehen, dass es nicht wegen der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe zum Drift kommt. Da auch interne Temperaturgradienten hinsichtlich der Gesamtleistung des Geräts eine Rolle spielen, müssen die Sensorelemente so gebaut sein, dass das Ausmass der Selbsterwärmung minimiert wird.