Gesunde Luft – CO2-Messung als Indikator der Luftqualität

Das Thema CO2 ist aktueller denn je – nicht nur als Gefahr für das Klima, sondern, neben Luftschadstoffen wie z. B. VOCs, auch als möglicher Indikator für die Leistungsfähigkeit des Menschen und das Infektionsrisiko in Innenräumen. 

CO2-Messgeräte mit Ampel-Anzeige eignen sich zum Überwachen der Luftqualität, geben Ihnen praktische Lüftungsempfehlungen und können so ein Ansteckungsrisiko verringern.

Die Innenraum-Luftqualität (IAQ: Indoor Air Quality) spielt für den Menschen eine wichtige Rolle im täglichen Leben. Denn aufgrund des begrenzten Raumvolumens eines Innenraums und des längeren Aufenthalts in selbigen, z. B. in Klassenräumen, sammeln sich hier neben CO2 auch Luftschadstoffe wie flüchtige organische Verbindungen (VOC) und Stäube in verhältnismäßig kurzer Zeit an.

Diese zu analysieren, bei ansteigenden Konzentrationen zu warnen und ggf. Gegenmaßnahmen vorzuschlagen, ist die Aufgabe der verschiedensten Klassen von Luftgütemesstechnik oder auch vereinfacht Raumluft-Messgeräte genannt.

Der Begriff „schlechte Luft” fasst die Gesamtheit aller in der Atemluft enthaltenen Luftschadstoffe, Ausdünstungen (VOC, dazu zählen u.a. auch Lösungsmittel oder Schadstoffausdünstungen von Möbeln wie Formaldehyd), Atem-/Verbrennungsprodukte (z. B. CO2) und vieles andere zusammen. Übersteigen diese Schadstoffe sowie die CO2-Konzentration ein definiertes Maß, kann dies zu Unwohlsein, Konzentrationsschwächen, Schläfrigkeit, Kopfschmerzen und sogar zu ernsthaften, gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen.

Entscheidend ist hier auch die Aufenthaltsdauer in einem mit Luftschadstoffen und CO2 angereichertem Raum, denn kurzzeitig hohe Konzentrationen rufen nur selten Beeinträchtigungen hervor.

Ein Luftaustausch der Raumluft gegen frische Luft von draußen ist hier die wichtigste und wirksamste Maßnahme. Dabei kommen je nach Bauart des Gebäudes verschiedene Maßnahmen zur Anwendung – vom einfachen Öffnen der Fenster bis hin zur zentralen Belüftung und zentralen/dezentralen Luftreinigung.

Die Hauptbestandteile der atmosphärischen Luft sind Gase, Wasser, Staubpartikel, Aerosole, Schwefel- und Stickstoffverbindungen, flüchtige organische Verbindungen (VOC) und Ozon.

Die gasförmigen natürlichen Bestandteile der Luft sind Stickstoff (78,08 %), Sauerstoff (20,95 %), Edelgase (0,93 %), Kohlendioxid (CO2 (0,04 %)) und Wasserstoff (0,00005 %).

Trotz des geringen Anteils der Spurengase, freien Radikale und Aerosole in der Atemluft spielen diese jedoch eine signifikante Rolle bei der Beurteilung der Luftqualität. Insbesondere sind hier Kohlendioxid und das bei Verbrennungsprozessen entstehende Kohlenmonoxid zu nennen. Deren erhöhte bzw. bei Kohlenmonoxid überhaupt vorhandene Konzentration in der Raumluft führt zu o. a. gesundheitlichen Beeinträchtigungen. Kohlendioxid ist in höherer Konzentration klimaschädlich, allerdings auch lebensnotwendig für Pflanzen.

Auch eine zu geringe Sauerstoffkonzentration in der Luft wirkt sich gravierend aus, da für unser Hirn eine Mindest-Sauerstoffversorgung überlebenswichtig ist.

Kohlendioxid ist ein Abbauprodukt, das bei der Atmung, bei Ausdünstungen und der vollständigen Verbrennung kohlenstoffhaltiger Stoffe entsteht. Die untere Grenze der Konzentration in der Atemluft sind die in der atmosphärischen Luft enthaltenen 0,04 % (400 ppm).

Schon 1858 hat der Chemiker und Hygieniker Max Pettenkofer eine Klassifizierung der CO2-Konzentration (Pettenkofer-Zahl: Innenraumluftwert für CO2, Pettenkofer gab damals einen Grenzwert von 1000 ppm an) entwickelt, die in ihren Grundzügen heute noch gültig ist. Heute unterscheidet man im Wesentlichen zwischen Werten bis 1000 ppm („Hygienisch unbedenklich”, bis 2000 ppm („Hygienisch auffällig”) und ab 2000 ppm („Hygienisch inakzeptabel”), siehe Grafik (Werte entsprechend Vorgabe des Umweltbundesamtes (UBA)).

Genau diese hier dargestellten Grenzwerte zieht man neben der ebenso wichtigen Beurteilung der Konzentration der VOCs bei der Konstruktion von CO2-Messgeräten heran.

Eine Eigenschaft von CO2 ist es, dass der Mensch Kohlendioxid selbst nicht sensorisch wahrnehmen kann. Vielmehr findet die indirekte Wahrnehmung über die gleichzeitig im Raum entstehenden VOCs statt – wie etwa durch Atmung, Transpiration oder Verdauung entstehende Stoffwechselprodukte sowie Ausdünstungen von Baustoffen, Möbeln, Stoffen, Deodorants und Reinigungsmitteln.

Besonders wichtig ist die Beurteilung der Raumluftqualität dort, wo sich mehrere Menschen aufhalten wie z. B. in einem Büro, einem Klassen- oder Vorlesungsraum, oder auch zuhause. Denn wenn man sich lange Zeit im gleichen Raum aufhält (z. B. im Homeoffice), können schnell hohe Kohlendioxid-Konzentrationen auftreten.

Kohlenmonoxid bzw. genauer Kohlenstoffmonoxid entsteht bei der unvollständigen Verbrennung kohlenstoffhaltiger Stoffe. Das heißt, wenn für die vollständige Verbrennung, bei der Kohlendioxid entsteht, zu wenig Sauerstoff zugeführt wird. Es ist ebenfalls geruch- und geschmacklos und im Gegensatz zu Kohlendioxid hochgiftig für den Menschen. Es unterbindet beim Einatmen den Sauerstofftransport im Blut, was sehr schnell von Unwohlsein über Schläfrigkeit bis zur Ohnmacht und schon bald darauffolgend zum Tod führt.

Der Nachweis dieses Schadstoffs erfolgt direkt durch spezielle Kohlenmonoxid-Melder oder andere Kohlenmonoxid-Warngeräte und das bereits bei geringen Grenzwertüberschreitungen. Diese sind nicht zu verwechseln mit Rauchmeldern, die allein (bzw. auch kombiniert mit Wärmesensoren) die Lufttrübung durch Brandrauch erfassen.

Wie funktionieren CO2-Melder?

Kohlendioxid wird in vielen Fällen technisch nicht als direkte CO2-Messung nachgewiesen, sondern aus einem allgemein in der Raumlauft ermittelten VOC-Messwert als äquivalente CO2-Konzentration abgeleitet (eCO2). Dazu dienen Metalloxid-Sensoren (MOS).

Eine direkte, selektive CO2-Messung hingegen wird mit NDIR-Sensoren vorgenommen. Der Name NDIR (Nondispersive Infrared) impliziert: Hier kommt Infrarot-Licht einer speziellen Wellenlänge und hochselektive Filterung zum Einsatz, das von Kohlendioxid teilweise absorbiert wird. So kann man den CO2-Gehalt direkt messen. Ein solcher Sensor des schwedischen Herstellers Senseair kommt zum Beispiel beim Homematic IP CO2-Sensor HmIP-SCTH230 zum Einsatz.

Ergänzt man die Kohlendioxid-Messeinheit mit weiteren Umgebungssensoren wie für Temperatur und Luftfeuchte, hat man ein Raumklimamessgerät, das auch eine grundsätzliche Bewertung der Raumluftqualität (IAQ) erlaubt.

Der Markt hält inzwischen zahlreiche, ganz unterschiedlich ausgestattete CO2-Messgeräte (ugs. CO2-Messer) bereit. Für die einfache Meldung der Raumluftgüte genügen Geräte (CO2-Monitor, CO2-Messgerät mit Ampel-Anzeige), die in der Art einer Ampel mit abgestuften Farben, Warnsignalen oder Symbolen vor dem Überschreiten unterschiedlicher Konzentrationsschwellen warnen. Solche auch als CO2-Warner bezeichneten Geräte sind z. B. in Bildungseinrichtungen (Schulen, Kindergärten, Universitäten etc.) oder Büros sehr einfach einsetzbar und ihre Aussage kann schnell interpretiert werden.

Andere CO2-Messgeräte fungieren entweder mit direkten Konzentrationsangaben oder (farbigen) Symbolen. Zusätzlich zeigen sie oft das Raumklima (Temperatur/Luftfeuchte) an. Sie sind z. B. gut in der Wohnung oder im Homeoffice-Bereich einsetzbar.

Gut geeignet für diese Anwendungsbereiche wie Schulen oder andere öffentliche Räume sowie für Zuhause und somit auch für das Homeoffice ist das CO2-Messgerät WL 1030 von Technoline mit grafischer Ampel-Anzeige.

Will man zusätzlich die Luftgütewerte publizieren, ob im internen Netzwerk oder via Internet, greift man zum Luftgütesensor mit Netzanbindung. Diese Sensoren ermöglichen oft auch das Realisieren von IoT-Anwendungen wie z. B. per MQTT. So kann man bspw. über beliebige Entfernungen – entweder manuell nach Visualisierung und Auswertung oder automatisch – Gegenmaßnahmen ergreifen und u. a. Lüftungseinrichtungen steuern (lassen).

Solche Gegenmaßnahmen können auch direkt durch Sensoren vor Ort in der Haustechnik/Hausautomatisierung ausgelöst werden, die entweder direkt nach definierbaren Steuerungskriterien die Haustechnik ansteuern oder dies über ein Hausautomationssystem per Funk oder Bus auslösen. Letztere Methode ist besonders flexibel, da die Auslösekriterien jederzeit auch aus der Ferne über ein Web-Frontend einstellbar sind.

Sehr gut geeignet für diesen Anwendungsfall und die Einbindung in das Smart Home ist der CO2-Sensor SCTH230 von Homematic IP (Fertiggerät und Bausatz). Mit diesem ist es zusätzlich möglich, die Temperatur und Luftfeuchte zu messen und somit hilft er bei der Ermittlung der Innenraum-Luftqualität.

Er kann mit seiner integrierten optischen Anzeige auch direkt eine Ampelwarnfunktion wahrnehmen. Für seinen Einsatz bedarf es nicht unbedingt der Installation eines kompletten Smart Home Systems, er kann, wie andere CO2-Messgeräte auch, stand-alone eingesetzt werden.

In Verbindung mit dem Smart Home System Homematic IP kann er sowohl die Steuerung von Belüftungsanlagen steuern, als auch weitere Signalisierungen – z. B. über HmIP-BSL oder HmIP-MP3P – oder Langzeitaufzeichnungen (Datenlogger-Funktion, Datenexport, MQTT-Anwendungen) – z. B. über eine Smart Home Zentrale CCU3 – auslösen. Seit neustem gibt es den CO2-Sensor (HmIPW-SCTHD) auch für das Homematic-IP-Wired-System mit einem integrierten Display, um den CO2-Wert direkt ablesen zu können.

Mehr Wissen im ELVjournal

Im ELVjournal sind diverse Beiträge zum Thema „Indoor Air Quality” erschienen, die das Thema „Raumluftparameter”, sowie die Themen Sensorik, Luftreinigung usw. eingehend behandeln.

Aktuelle Informationen des Umwelt-Bundesamtes zu Umwelteinflüssen auf den Menschen finden Sie hier.