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Bild 2: Funktionsweise eines MEMS-MOX-Gassensors. (Bild: AMS)

| von Norwood Brown

Eckdaten

Der Artikel beschreibt den Betrieb der neuen VOC-Sensoren (Volatile Organic Compounds) und die Unterschiede zu kalibrierten und absolut messenden Einzelgassensoren. Außerdem zeigt er auf, wie diese Sensoren Daten bereitstellen können, damit sie für Luftmanagement-Anlagen eine angenehmere und gesündere Raumluft gewährleisten können.

In den letzten Jahren stieg das Bewusstsein für die Qualität unserer Atemluft sowohl in Innenräumen als auch im Freien. Im Durchschnitt atmet ein Mensch täglich etwa 15 kg Luft ein, 80 % davon in Innenräumen. Zwar wird die Qualität der Außenluft routinemäßig von den Behörden überwacht, die Überwachung der Raumluftqualität liegt aber in der Verantwortung des Gebäudebetreibers oder -nutzers und findet zumeist nicht statt.

Professionelle Betreiber von Geschäftsgebäuden nutzen heute generell mehrere Arten von Luftqualitätsdaten, um den Betrieb von Lüftungs- und Luftfiltersystemen zu steuern. Am häufigsten nutzen sie Absolut-Messungen eines Einzelgases, meist Kohlendioxid (CO2). Eine weitere Möglichkeit ist die subjektive Beurteilung der Luftqualität durch den Nutzer.

Da Menschen CO2 ausatmen ist es normal, dass die CO2-Konzentration in einem von Menschen genutzten Raum mit der Zeit ansteigt. Je mehr Menschen sich in diesem Raum befinden, umso schneller steigt auch die CO2-Konzentration, wenn keine angemessene Belüftung vorhanden ist.

Regelung auf Basis der VOC-Messung

Eine übermäßige CO2-Konzentration in der Raumluft macht sich durch Benommenheit, Konzentrationsverlust, beeinträchtigte Entscheidungsfähigkeit und ein Gefühl der „Beengtheit“ bemerkbar. Deshalb regulieren heutige mit CO2-Sensoren ausgestattete Gebäudeleitsysteme den Betrieb der Filter- und/oder Lüftungsanlagen in Abhängigkeit vom gemessenen CO2-Gehalt. Ziel ist es, die Raumluft durch bedarfsgerechte Lüftung frisch und angenehm zu erhalten und gleichzeitig die Wärmeaustauschrate zu minimieren, um zusätzliche Kosten für das Heizen oder Kühlen der zugeführten Frischluft zu minimieren. Tatsächlich ist die CO2-Konzentration eine geeignete Messgröße für die Belegungsdichte eines von Menschen genutzten Raums. Weil der Mensch neben CO2 auch eine Vielzahl verschiedener VOCs als Folge seines Stoffwechsels emittiert, kann eine Regelung auf der Basis der VOC-Messung erfolgen.

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Bild 1: Üblicherweise in Innenräumen vorkommende VOC-Arten und ihre Quellen. AMS

Bisher waren es praktische Erwägungen, CO2-Sensoren für die Steuerung von Lüftungsanlagen einzusetzen. Baugröße, Preis und Energieverbrauch von CO2-Sensoren sind bereits seit vielen Jahren so attraktiv, dass sie zunehmend in der Gebäudeautomation eingesetzt werden. Die für die Messung von VOC vorhandenen technischen Systeme waren bis vor wenigen Jahren noch sehr begrenzt. Neben Photoionisations-Detektoren (PID), Flammenisonisations-Detektoren (FID) und den althergebrachten Prüfröhrchen zur Vor-Ort-Messung und Analyse von VOCs in der Luft ist die im Labor bevorzugte Analysentechnik die Auswertung mittels Gas-Chromatograph-Massenspektrometer (GC-MS).

Die genannten Systeme sind für den Einsatz als Steuerungselemet in Lüftungsanlagen aufgrund ihrer Größe, der Leistungsaufnahme und des hohen Preises ungeeignet. Gerade deshalb ist die neue Generation von äußerst kompakten Metalloxidsensoren für die Detektion von VOCs interessant, da diese in Form eines SMD-Bauteils leicht bestückt werden können und mit ihrer geringen Leistungsaufnahme von nur wenigen mW in bestehende Systeme oder auch Alltagsgegenstände wie Leuchten, Thermostate, Ventilatoren oder Mobiltelefone integriert werden können. Damit haben diese Sensoren das Potenzial für den Aufbau einer flächendeckenden VOC-Sensorik.

 

Flächendeckende VOC-Sensorik

Nutzer von Lüftungsanlagen sollten überdenken, ob die alleinige Nutzung eines CO2-Sensors angebracht ist. Denn tatsächlich steigt und fällt die VOC-Konzentration nicht linear mit der CO2-Konzentration. Dies hat mehrere Gründe:

  • Der Mensch ist nicht die alleinige Quelle der VOCs (siehe Bild 1).
  • Normalerweise ist die CO2-Produktionsrate des Menschen recht konstant, wenn keine körperliche Betätigung stattfindet. Die menschliche VOC-Produktion schwankt und steigt jedoch mit dem Verzehr von Nahrungsmitteln und dem Konsum alkoholischer Getränke an.
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Bild 2: Funktionsweise eines MEMS-MOX-Gassensors. AMS

In einem Bericht des „Building and Fire Research Laboratory“ des „US National Institute of Standards and Technology“ heißt es: „Viele Schadstoffquellen sind nicht von der menschlichen Raumnutzung abhängig wie zum Beispiel Emissionen von Baumaterialien und Schadstoffen, die von außen in ein Gebäude eindringen. Die Kohlendioxidkonzentration liefert keine Informationen über die Konzentration von Schadstoffen, die von raumnutzerunabhängigen Quellen emittiert werden.“

Eine mittels CO2-Sensor gesteuerte Lüftungsanlage würde einen niedrigen CO2-Gehalt in der Luft eines Raums feststellen, in dem sich nur eine Einzelperson aufhält und die Frischluftzufuhr wäre entsprechend gering. Wäre dieser Raum aber vor kurzem mit neuen Möbeln, Teppichen und anderen Einrichtungsgegenständen ausgestattet worden und wäre dazu zum Beispiel auch lösemittelhaltiger Klebstoff zum Einsatz gekommen, so würde sich der Nutzer aufgrund der geringen Frischluftzufuhr einer sehr hohen Konzentration an VOCs aussetzen.

Eine erhöhte VOC-Konzentration in der Raumluft beeinträchtigt ganz offensichtlich das Wohlbefinden der Raumnutzer. Während CO2 geruchslos ist, weist ein bedeutender Querschnitt an VOCs einen Geruch auf, und dieser Geruch ist (bei einem Großteil der VOCs) unangenehm.

Doch Unbehagen ist nicht die einzige Wirkung von VOCs in der Luft. Die Website der US-amerikanischen Umweltbehörde (EPA) führt kurz- und langfristige Folgen für die Gesundheit auf, die ihr zufolge mit der VOCs in der Raumluft in Verbindung stehen können. Laut EPA gehören dazu:

  • Reizung von Augen, Nase und Rachen
  • Kopfschmerzen, Koordinationsverlust und Übelkeit
  • Schädigung von Leber, Nieren und zentralem Nervensystem
  • Einige organische Stoffe können bei Tieren Krebs verursachen; einige sind für den Menschen krebserregend oder stehen unter dem Verdacht, krebserregend zu sein.

(Quelle: https://www.epa.gov/indoor-air-quality-iaq)

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Bild 3: Signale eines VOC- und eines CO2-Sensors in einem Besprechungsraum. AMS

Die oben genannten Beispiele fordern OEMs geradezu auf, sich näher mit dem Einsatz von SMD-MOX-VOC-Sensoren in der Steuerung von Lüftungsanlagen zu befassen.

Das Funktionsprinzip eines MOX-Gassensors ist in Bild 2 dargestellt.

Sensor muss nicht kalibriert werden

Metalloxid-Gassensoren reagieren nicht spezifisch auf einzelne Stoffe, vielmehr reagieren sie auf VOCs im Allgemeinen und auf Gase wie zum Beispiel Wasserstoff und Methan. Eine Konzentrationsänderung resultiert in einer Änderung des Sensorwiderstandes, welcher ausgewertet wird. Aufgrund des Prinzips, dass Änderungen und nicht Absolutwerte in das ausgegebene Signal eingehen, muss der Sensor nicht kalibriert werden. Für alle sicherheitsrelevanten Anwendungen, in denen eine Konzentrationsbestimmung erfolgen muss, ist der Einsatz kalibrierter Gassensoren zwingend erforderlich. Kalibrierte Gasmessgeräte sind üblicherweise:

  • relativ teuer
  • nur in der Lage, ein Einzelgas zu erkennen
  • regelmäßig zu kalibrieren, um präzise Ausgabedaten zu erhalten

Eine Ergänzung zu kalibrierten Messgeräten ist der VOC-Sensor: Er erkennt ein breites Spektrum an VOCs und ist daher in der Lage, Schwankungen der Raumluftqualität zu erfassen, die durch eine oder mehrere Verbindungen in einer Vielzahl von VOCs verursacht sein könnten, die Menschen in einem Gebäude beeinträchtigen.

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Bild 4: Berechnete CO2-Werte eines MOX-Gassensors von AMS und das Signal eines kalibrierten NDIR-CO2-Sensors über einen Zeitraum von sieben Tagen. AMS

Für die Überwachung der Raumluftqualität zeigen breitbandige VOC-Sensoren wie der AMS CCS811 (im 2,7 mm × 4 mm × 1,1 mm großen LGA-Gehäuse) oder der „iAQ-core“ (ein integriertes Sensormodul mit einer Basisfläche von 15 mm × 18 mm) keine absoluten ppm-Werte für ein bestimmtes Gas, sondern liefern stattdessen Angaben zur relativen Veränderung der Konzentration einer Vielzahl von VOCs in der Umgebung.

In der Raumluftüberwachung kann der MOX-VOC-Sensor gemeinsam mit einem kalibrierten CO2-Sensor eingesetzt werden. Der VOC-Sensor ergänzt die CO2-Absolutmessungen und erfasst zusätzliche Informationen zu VOC-Ereignissen. Die Korrelation von CO2- und VOC-Anstieg zeigt Bild 3.

In Bild 3 zeigt der CO2-Sensor kein Signal auf zum Beispiel Reinigungschemikalien und andere mögliche VOC-Quellen. Die zusätzlichen Signale des VOC-Sensors tragen zu einer bedarfsgerechten Belüftung bei und verbessern so die Raumluftqualität.

Formatierung der Messdaten für die Steuerung von Lüftungssystemen

Demnach ist ein VOC-Sensor wie der CCS811 oder IAQ-Core sehr gut in der Lage, Änderungen der VOC-Konzentration in der Luft zu erkennen. Aber wie können diese Informationen genutzt werden, um den Betrieb von Luftreinigungs- oder Lüftungsanlagen zu steuern?

Typischerweise werden moderne Lüftungsanlagen mittels CO2-Schwellwerte geregelt. Aus diesem Grund haben die beiden Sensormodule einen Algorithmus implementiert, welcher aus der Änderung der Luftqualität einen CO2– beziehungsweise TVOC-äquivalenten Wert errechnet (eCO2 und eTVOC). Dadurch müssen bei Austausch eines CO2-Sensors durch einen VOC-Sensor keine neuen Schwellwerte programmiert werden. Tests haben gezeigt, dass die errechneten CO2-Werte bei primärer menschlicher VOC-Emission sehr nahe an der tatsächlichen CO2-Konzentration liegen, welche durch einen kalibrierten CO2-Sensor gemessen wurde (Bild 4).

Neue Möglichkeiten für die Überwachung der Raumluftqualität

Aufgrund ihrer kleinen Bauform, der geringen Leistungsaufnahme und der geringen Kosten lassen sich hochintegrierte VOC-Sensoren in mobilen Geräten bis hin zu Lüftungsanlagen integrieren. Die großflächige Integration von VOC-Sensoren für die bedarfsgerechte Steuerung von Lüftungsanlagen oder die Anzeige der Luftqualität ist nur noch eine Frage der Zeit. Beispielsweise kann ein in einem Herd oder einer Abzugshaube integrierter VOC-Sensor in Abhängigkeit der sich während des Kochens oder Backens bildenden Kochgerüche die Abluft- beziehungsweise Abzugshaube steuern.

Der Einsatz von VOC-Sensoren ist in fast allen Innenräumen von großem Nutzen, etwa in öffentlichen Verkehrsmitteln, Privatfahrzeugen und öffentlichen Gebäuden wie Krankenhäusern, Büros und Geschäften. Da sie klein genug sind, um gemeinsam mit anderen elektronischen Bauteilen auf einer Leiterplatte Platz zu finden, ist ihre Integration in fast jede Art von Gerät mit einer Schnittstelle zu Luftmanagementsystemen problemlos möglich.

Norwood Brown

Staff Field Application Engineer bei ams in den USA.

(ah)

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