Stabilität und Kalibrierfähigkeit von Kohlendioxid Gassensoren für die Klima- und Lüftungstechnik

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Kontrollierte Raumlüftung mit konstanter Luftzufuhr ist heute anerkannter Stand der Technik im Bereich des energieeffizienten, modernen Bauens.

Die kommende Generation von Wohnungslüftungsgeräten wird vermehrt mit einer bedarfsgerechten Regelstrategie dafür sorgen, dass die Frischluftzufuhr nicht mehr konstant sondern, angepasst an die aktuelle Nutzungssituation, bedarfsgerecht erfolgt. Dies bedeutet Energieeinspaarungen in „Ruhezeiten“ und optimale Raumluftqualität in „Stoßzeiten“.

Zentraler Baustein der bedarfsgerechten Regelstrategie ist die Überwachung der Raumluftqualität anhand einer Regelgröße. Der CO2-Gehalt der Raumluft hat sich hier als geeignet erwiesen.

Für die Hersteller von Wohnungslüftungsgeräten besteht daher ein Bedarf an kostengünstigen und zuverlässigen CO2-Sensoren, die sich für den Einsatz in der Lüftungstechnik eignen. In einem Projekt der Fachhochschule Dortmund, dem Institut für Mikrosensorik & Fahrzeugelektronik (IfM) und TZWL e.V. wurde deshalb ein Langzeittest von 28 Gassensoren von sieben Herstellern durchgeführt.

 

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Ausgangssituation

Die Luftqualität in einem Raum ist maßgeblich für unser Wohlbefinden. Die Luft, die wir einatmen, ist unser Nahrungsmittel Nummer 1. Ihre Qualität sollte daher so gut wie möglich sein, wenn man bedenkt, dass wir uns über 90 % unseres Lebens innerhalb von Räumen aufhalten.

In bestehenden Wohngebäuden ist dies zwar oft kein Problem, da hier durch baulich bedingte Undichtigkeiten die Luftinfiltrationen und damit auch die Lüftungswärmeverluste sehr hoch sind. Moderne und dichte Wohngebäude nach EnEV kommen ohne gezielte Belüftung nicht aus. Grundlage für die Problemlösung ist ein >>>Lüftungskonzept nach DIN 1946-6 das den gleichen Stellenwert hat wie das Wärmedämmkonzept.

 

Belastende und sogar krankmachende Luftinhaltsstoffe, die durch Möbel, Kleber, Lacke, Kunststoffe, Putzmittel usw. an die Raumluft abgegeben werden, und die aus gesundheitlichen Gründen abtransportiert werden sollten, können die Atemluft nicht belasten, wenn dafür gesorgt wird, dass kontinuierlich ausreichend Frischluft zur Verfügung steht. Außerdem ist Luftfeuchtigkeit in Wohnräumen ein großes Thema. Zum einen kann bei mangelhafter Lüftung durch bauliche Mängel Schimmel wachsen und zum anderen kann die relative Luftfeuchtigkeit im Winter schnell unter 40% fallen, was als unbehaglich empfunden wird.

 

Als maßgebende Größe, um die Raumluftqualität sichtbar zu machen, kann der CO2-Gehalt der Raumluft verwendet werden. Jeder Atemstoß eines Menschen enthält 4% (40000 ppm) CO2. Laut Max von Pettenkofer soll die CO2-Konzentration in der Raumluft 1000 ppm (0,1%) nicht überschreiten. Dies passiert jedoch schnell, wenn gar nicht oder nur unregelmäßig gelüftet wird. Beste Beispiele bisher sind die Luftqualität eines unbelüfteten Schlafzimmers am Morgen oder die eines Schulraumes vor der Pause. Angesichts dieser Problematik ist es sinnvoll, die von einer Wohnungslüftungsanlage gesteuerte Luftwechselrate an einen Sensor zu koppeln, der die Lüftung bedarfsgerecht regeln kann.

 

 

Problemlösung

Ziel des TZWL-Projektes ist es, neben der Temperatur die Raumluftfeuchte und die Qualität der Raumluft durch eine bedarfsgerechte Regelstrategie, unabhängig von jeder im Wohnraum auftretenden Belastung, konstant zu halten. Die bedarfsgerechte Regelung reagiert auf Veränderungen der eingestellten Werte mit Lüften, Heizen und Befeuchten. Durch bedarforientiertes Heizen, Lüften und Befeuchten können eine Menge Energiekosten gespart werden. Ausgehend vom einem eingestellten Mindestluftwechsel reagiert die Anlage, wenn die Raumluftbehaglichkeit gefährdet ist.

 

Bestehende Heizungssteuerungen orientieren sich an der Außentemperatur. Die Vorlauftemperatur der Heizkörper wird abhängig von der Temperatur außerhalb des Gebäudes gesteuert. Bei geringem Wärmebedarf führt dies zu einer stark schwankenden, zufälligen Raumtemperatur, weil innere Wärmequellen, Personen, Abwärme aus Prozessen (Kochen, Duschen etc.) und solare Einstrahlungen nicht berücksichtigt werden. Zumindest in Niedrigenergie- und Passivhäusern ist es aufgrund des energetischen Gesamtkonzepts notwendig, Lüftung und Heizung nach inneren Gegebenheiten zu regeln.

 

Für den Versuchsaufbau (Bild 1) wird ein Wohnungslüftungsgerät mit Wärmepumpe und frequenzgesteuertem Kompressor verwendet. Die Luftfeuchte wird durch Ultraschallbefeuchtung realisiert. Die Software-SPS OAT‘s berechnet den Regelalgorithmus und kommuniziert durch ein I/O-System mit dem Wohnungslüftungsgerät. Die Software-SPS ist auf einem speziellen PC installiert. An diesen sind auch die Sensoren über RS-232-Schnittstellen angeschlossen.

 

 

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Bild 1 - Versuchsschema, © TZWL, 2011

 

 

Die Regelstrategie besteht im Wesentlichen aus einer kaskadierten Regelung zweier Adaptivregler (lernfähiger Regler). Die innere Kaskade regelt die Luftkonditionierung direkt am Ausblasrohr, an dem sich auch der erste Sensor befindet. Hier werden Temperatur und Feuchte eingeregelt. Die innere Kaskade ist außerdem Stellgröße für die äußere Kaskade (Raum/Wohnung). Der zweite Sensor befindet sich im Raum und misst neben Temperatur und Feuchte auch die CO2- Konzentration. Steigt die CO2- Konzentration an, wird die Luftmenge am Ausblasrohr erhöht (Bild 2).

 

 

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Bild 2 - Regelstrategie, © TZWL, 2011

 

 

Gegenwärtig wird an einer neuen Hardwarekonzeption gearbeitet, die eine Kommunikation der Wohnungslüftungsanlage mit seinen Peripherien über Ethernet erlaubt. Mit der neuen Hardwarebasis wird es möglich sein, per Internetbrowser von überall auf die Anlage zuzugreifen.

 


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