Das Wesentliche ist für die Augen unsichtbar

Raumsensoren sind ein integraler, aber häufig unterschätzter Bestandteil von Heizungs-, Lüftungs- und Klima-Systemen.

Nur wenige wissen, mit was für einem Planungs- und Arbeitsaufwand die Konstruktion eines Geräts verbunden ist, welches unter anderem die richtige Temperatur – bis auf Zehntelgrade genau – unter unterschiedlichen äußeren Bedingungen misst. Der Beitrag zeigt Herausforderungen zum Bereitstellen schneller und genauer Raumsensoren für gute Luft.

Die meiste Zeit verbringen Menschen in Innenräumen. Sie fühlen sich dort nur bei einer bestimmten relativen Luftfeuchte und Temperatur wohl. Viele können Temperaturschwankungen von bereits ± 0,5 °C bemerken. Das fordert den technischen Systemen einiges ab. Die meisten hochleistungsfähigen Sensorelemente bieten eine Präzision von ± 0,2 °C, sodass für das Entwickeln eines Raumsensors eine Fehlerspanne von ± 0,3 °C bleibt. Außerdem muss der Messwert die Temperatur in der Raummitte wiedergeben – der Sensor kann jedoch auch an einer Wand montiert sein. Deshalb liegt es an der Gerätekonstruktion, die Werte stets anforderungsgerecht abbilden zu können.

Bedarfsgeregelt Lüften

Zu verstehen, welcher Mechanismus bei der Wärmeübertragung (Leitung, Konvektion, Strahlung) für ein bestimmtes Phänomen verantwortlich ist, hilft, die Leistungsfähigkeit von Sensoren zu verbessern. Dazu kann ein Prüfstand (Abbildung 1) zum Beispiel offenlegen, dass sich durch die Form der Nachströmöffnung im Gehäuse die Verbindung zwischen dem Fühlerelement und der tatsächlichen Raumtemperatur verbessern lässt. Auch wichtig: Die Messungen sollten nicht durch die Abwärme der elektronischen Komponenten selbst beeinflusst werden. Das Titelbild zeigt hierfür eine praxisgerechte Umsetzung.

Daneben ist der CO₂-Gehalt ein Indikator für die Qualität der Raumluft. Sein Anstieg geht fast immer mit einer höheren Konzentration an flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) einher, weil beides vom Menschen emittiert wird. Dies kann das Risiko zum Übertragen von Viren steigern. Zudem hat ein Frischluftmangel negative Folgen auf die Produktivität und Konzentrationsfähigkeit. Eine bedarfsgesteuerte Lüftung mit CO₂-Sensoren gilt daher als optimale Lösung. Sie basiert auf Sensoren, die genaue Informationen zum CO₂-Gehalt der Luft liefern und das System beim Erreichen eines bestimmten Grenzwerts aktivieren. Weltweit gilt: Der CO₂-Gehalt sollte stets unter 1.000 ppm liegen und nicht über längere Zeit mehr als 1.500 ppm betragen. Dafür sollte er alle 30 Sekunden gemessen und die Lüftung entsprechend angepasst werden können.

Doppelsensor

Ein CO₂-Sensor ist üblicherweise aus einer Lichtquelle und zwei Detektoren aufgebaut (Abbildung 2). 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 – was einem Peak im CO₂-Absorptionsspektrum entspricht. Somit registriert er nur die durch die Anwesenheit von CO₂-Molekülen verursachte Eliminierung von Licht. Der Referenzdetektor misst dagegen die Intensität des ungefilterten Lichts, sodass sich durch den Vergleich der beiden Messungen der CO₂-Gehalt bestimmen lässt. Die Sensoren sollten mit einer Staubschutzabdeckung versehen sein, damit ihre Detektorenleistungen nicht durch Partikel beeinträchtigt werden.

Die Doppelkanal-Lösung arbeitet akkurat. Sie alleine bietet jedoch keine stabilen Langzeitmessungen, weil die Basislinie durch die Alterung der Sensorkomponenten im Lauf der Zeit driften kann. Das lässt sich mit einer automatischen Basislinienkorrektur in den Griff bekommen. Dabei wird permanent der niedrigste Messwert des Sensors nachverfolgt und sämtliche festgestellten Drifts werden berichtigt. Dies funktioniert bei Gebäuden, die über längere Zeiträume nicht genutzt werden – wie Büros, die am Wochenende geschlossen sind. Bei Einrichtungen, die rund um die Uhr belegt sind (Notaufnahmen, Logistikzentren, Fabriken), ist dieser Drift nicht so leicht zu erkennen und zu beheben. Daher ist es entscheidend, Sensoren zu verwenden, die solide und unabhängig von der Gebäudenutzung ohne ständige notwendige (Nach-)Kalibrierung funktionieren.

Prüfen und Verifizieren

Damit ein Sensor langfristig zuverlässig arbeitet, sollte er zuvor mehrere Wochen erprobt werden, um alle möglichen Bedingungen zu testen – vor allem solche, bei denen das Gerät starken Beanspruchungen ausgesetzt ist: Die Leistung kann bei nicht kondensierender, feuchter Wärme bei 95 Prozent relativer Feuchte und 35 °C geprüft werden, um zu sehen, ob der Sensor korrosionsbeständig und leistungsstabil ist. Messungen bei trockener Wärme und Temperaturen von 60 bis 70 °C zeigen, ob die Ausdehnungskoeffizienten der Materialien nicht zu einem Drift führen.

In der Praxis spielen weitere Aspekte eine Rolle: Bei einer Erhebung von 400 m über dem Meeresspiegel kommt es bei der gemessenen CO₂-Konzentration zu einer Abweichung von 70 ppm, siehe Abbildung 3. Einige Institutionen (beispielsweise Regierungsbehörden in US-Bundesstaaten) lassen nur eine Toleranz von ± 75 ppm zu. Deshalb ist es ratsam, jeden CO₂-Sensor mit einer Absolutdruck-Kompensation auszustatten. Unterschiedliche Arten der Spannungsversorgung lassen sich durch eine interne Echtzeitmessung und einen Kompensationsalgorithmus ausgleichen. In der Folge arbeiten die HLK-Systeme überall sicher, produktiv, komfortabel und bedarfsgerecht; die Überwachungs- und Regelsysteme gewährleisten dauerhaft gesunde Innenräume.

Dr. Sebastian Eberle, Leiter der Entwicklung Umweltsensortechnik Yoram Mottas, Systemingenieur für Sensorentwicklung BELIMO Automation AG 8340 Hinwil (Schweiz) info@belimo.ch