Luftqualität am Arbeitsplatz

CO₂ als unsichtbarer Störfaktor

Die meisten Beeinträchtigungen kann der Mensch direkt wahrnehmen: Ist es zu hell, zu dunkel, zu warm oder zu kalt, erkennt er dies sofort und sorgt für Abhilfe. Kohlendioxid ist ein Paradoxon: Es ist geruchs- und geschmacksneutral und natürlich unsichtbar. Trotzdem kann es das menschliche Wohlbefinden beeinträchtigen: Unwohlsein, Konzentrationsschwäche und Leistungsabfall treten auf, lange bevor die schlechte Luft bewusst wahrgenommen wird. Besonders schnell steigt der CO₂-Gehalt dort, wo sich viele Menschen aufhalten: in Besprechungszimmern, Großraumbüros oder Klassenzimmern. Bereits nach wenigen Minuten können dort Werte von 5.000 bis 6.000 ppm CO₂ erreicht werden.

Andererseits lassen sich diese Räume oft nur eingeschränkt lüften, z. B. wenn die Fenster zu einer belebten Straße hin liegen. Es erfordert dann schon Disziplin, alle 15 min für wenige Minuten die Fenster zu öffnen – besonders wenn konzentriert gearbeitet werden soll. Eine mögliche Alternative ist ein Belüftungssystem. Spart man dabei an Frischluft, verfehlt die Anlage ihren Zweck. Regelt man zu großzügig, verschwendet man Energie. Dabei arbeiten viele Lüftungen nur mit einem starren Programm, das von einer stets gleichmäßigen Auslastung der Räume ausgeht. Sind ausnahmsweise zu viele Personen im Raum, reicht die Lüftung nicht. Fällt andererseits eine Erkältungswelle mit einem Brückentag zusammen, wird viel mehr gelüftet, als für die Notbesetzung nötig. Ideal wäre somit eine per Messwert gesteuerte Lüftung, wie bei Beleuchtung und Heizung üblich. Gesicherte wissenschaftliche Werte für die Auswirkungen von CO₂ sind vorhanden.

Gute Luft nach DIN

Max von Pettenkofer, erster deutscher Professor für Hygiene, legte mit seinen Untersuchungen zur Kohlendioxidkonzentration bereits vor über 140 Jahren den Grundstein für das heutige Regelwerk zur Luftqualität: die DIN 1946-2. Sie sieht als obersten Grenzwert eine CO₂-Konzentration von 1.500 ppm vor. Das heißt, unter 1 Mio. Luftteilchen sollten möglichst nur 1.500 CO₂-Moleküle sein. Wirklich gute Raumluftqualität übersteigt einen Grenzwert von 1.000 ppm CO₂ nicht. Aufgrund dessen fordert die DIN 1946-6 einen Außenluftvolumenstrom von 30 m³/h pro Person. Diesen Wert zu erreichen erschwert ausgerechnet ein anderes Regelwerk! Moderne Gebäude verfügen heute auch aufgrund gesetzlicher Vorgaben, wie der Ener­gie­ein­spar­ver­ord­nung, über eine sehr gute Wärmedämmung. Um die Heizkosten möglichst gering zu halten, sind Fenster, Außenwände und Dächer – eben die komplette Bauhülle – so gut isoliert, dass ein Luftaustausch nahezu unmöglich ist. Auch gelegentliches Stoßlüften, wie im Wohnbereich praktiziert, reicht in Bürogebäuden kaum aus. Abhilfe schafft eine Lüftung. Soll sie jedoch optimal arbeiten, benötigt sie echte Messwerte statt einer Annahme über die durchschnittliche Anzahl von Menschen im Raum. Das leisten CO₂-Sensoren.

Zuverlässig messen und regeln mit CO₂-Sensoren

CO₂-Sensoren von Theben messen die CO₂-Konzentration per Infrarotspektroskopie, auch nichtdispersives Infrarotmessverfahren (NDIR) genannt. Da CO₂ den Einfall von infrarotem Licht auf den Sensor dämpft, ändert sich das empfangene Signal in Abhängigkeit der CO₂-Konzentration der Raumluft.

Ein Gerät, wie der „Amun 716 KNX“ von Theben (Bild 5) misst neben der CO₂-Konzentration im Bereich von 0 bis 9.999 ppm auch Luftfeuchte und Temperatur im Raum. Drei unabhängige Schwellen für die CO₂-Konzentration und die relative Feuchte sind einstellbar, zusätzlich eine Schwelle für die Temperatur. Bei Unter- oder Überschreiten der Schwellen kann eine Aktion ausgelöst werden. Die Messgrößen können direkt auf den KNX-Bus übertragen werden. Entsprechende Kommunikationsobjekte sind vorprogrammiert. So dient z. B. das Objekt „Lüften“ zur Drehzahlsteuerung oder als Positionsgeber für Lüfterklappen. Eine konventionelle, direkte Steuerung der Lüftungsanlage ist mit der Variante „Amun 716 R“ möglich. Ob per Bus oder direkt: Die Sensoren sorgen dafür, dass die Lüftungsanlage nur so viel Frischluft zuführt, wie tatsächlich benötigt wird (Bild 2). Das spart nicht nur Heizenergie, sondern ermöglicht auch eine drehzahlgeregelte Lüftungssteuerung. Die Leistung eines Ventilators ist in der dritten Potenz abhängig von seiner Drehzahl. Eine Reduktion der Drehzahl um 20 % führt also zu einer Halbierung des Stromverbrauchs. Wichtige Grenzwerte der CO₂-Konzentration lassen sich auch am Gerät direkt ablesen. Eine mehrfarbige LED macht auf überhöhte Konzentrationen aufmerksam. Dieses kleine Feature haben sich die Schüler einer gymnasialen Oberstufe zunutze gemacht.

Gebäudeautomation als Unterrichtsfach

Ein kleines, aber feines Referenzobjekt arbeitet seit Anfang 2015 am Hans-Leinberger-Gymnasium in Landshut. Dort haben Schüler der Oberstufe ihr Klassenzimmer im Rahmen eines Praxisseminars automatisiert und dabei gelernt, dass Automation sowohl den Komfort erhöht als auch den Energieverbrauch senkt. Mit Unterstützung der Syspa Gebäudesystemtechnik GmbH installierten und konfigurierten sie KNX-Komponenten, u. a. von Theben: Zwei „thePrema“-KNX-Präsenzmelder regeln Beleuchtung und Beschattung; ein „Ramses 713 S“-KNX-Temperatursensor hat die Heizungsthermostate abgelöst. So ist sichergestellt, dass der Raum ein optimales Lernklima bietet und nach Unterrichtsschluss in einen Energiesparmodus fährt.

Ein Highlight des Projekts ist der „Amun 716 KNX“-CO₂-Raumluftsensor, obwohl das Lüften derzeit noch von Hand erfolgen muss. Eine Integration der vorhandenen Lüftung hätte den ohnehin anspruchsvollen Rahmen des Projekts gesprengt. Dieser Aufgabe können sich die kommenden Abschlussklassen widmen. Trotzdem ist der Sensor weit mehr als eine technische Spielerei, denn die Gerätedaten werden kontinuierlich aufgezeichnet. Der Erkenntnisgewinn ist groß:

Die Schulklasse hat eindrucksvoll bewiesen, mit welchen vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Mitteln sich Komfort und Energieeinsparung vereinen lassen.