Helligkeit und Temperatur sind wichtig für eine angenehme Wohn- und Arbeitsatmosphäre. Sie zu messen und zu regeln gehört zum Standard in der Gebäudeautomation. Weniger beachtet wird der Kohlendioxid-Gehalt der Raumluft. Dabei kann er die Leistungsfähigkeit und das Wohlbefinden erheblich beeinflussen. Besonders für Büros und ähnliche Arbeitsstätten bieten sich einfach zu installierende CO2-Messgeräte an, die sich bequem in die Gebäudetechnik integrieren lassen.
Wo Menschen sind, ist Kohlendioxid – kurz CO2: Sie produzieren es beim Atmen. Eingeatmete Luft enthält 21 Vol. % Sauerstoff und 0,035 Vol. % Kohlendioxid; ausgeatmete Luft dagegen enthält nur noch 16 Vol. % Sauerstoff, aber bereits 4 Vol. % Kohlendioxid. CO2 ist zwar erst ab einer Konzentration von 2,5 Vol. % für den Menschen toxisch, doch Leistungsfähigkeit, Konzentration und Wohlbefinden werden bereits ab einer Konzentration von 0,1 Vol. % (1.000 ppm) beeinträchtigt (Bild 1). Dann herrscht sozusagen dicke Luft. In Büros und Tagungsräumen, in Schulen und Klassenzimmern, aber auch in Passiv- und Niedrigenergiehäusern kann eine überhöhte CO2-Konzentration alle anderen Bemühungen um eine gute Umgebungsqualität erheblich konterkarieren.
CO2, der unsichtbare 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 Kohlendioxid 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. Allerdings ist Installation und insbesondere der Betrieb kostspielig. Spart man 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 Kohlendioxid 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 1500 ppm vor. Das heißt, unter 1 Million Luftteilchen sollten möglichst nur 1500 CO2-Moleküle sein. Wirklich gute Raumluftqualität übersteigt einen Grenzwert von 1.000 ppm CO2 nicht. Auf Grund dessen fordert die DIN 1946-6 einen Außenluftvolumenstrom von 30m3/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 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 2) misst neben der CO2-Konzentration im Bereich von 0 - 9999 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 3). 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 am Gerät 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 (Bild 4). Dort haben Schülerinnen und 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, unter anderem 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 Position des Sensors in der Raumecke ist unkritisch. Die „natürliche Thermik“ der Klasse sorgt für eine ausreichende Durchmischung der Luft.
- Die LED-Anzeige ermahnt zum Lüften deutlich, bevor die Köpfe schwer werden.
- Selbst kurzes Stoßlüften senkt die CO2-Konzentration dramatisch. Dies lässt sich sehr gut nachvollziehen, da die Fenster mit Kontakten versehen sind (primär zum Abschalten der Heizung). Bild 5 zeigt, wie rasch die CO2-Kurve nach Öffnen der Fenster sinkt.
- Dank der Visualisierung ist ein direkter Vergleich mit einem benachbarten Klassenzimmer möglich (Bild 6). Dort sind identische Sensoren installiert, die jedoch nur überwachen. Heizung, Beleuchtung, Beschattung und Belüftung erfolgen dort weiterhin „nach Gefühl“ manuell.
Die Schulklasse hat damit eindrucksvoll bewiesen, mit welchen vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Mitteln sich Komfort und Energieeinsparung vereinen lassen.
