Überwachung der Luftqualität: Eine wachsende Industrie

Im Jahr 2021 war der Markt für Luftqualitätsüberwachungssysteme 5,02 Milliarden US-Dollar wert. Laut einer Prognose von Fortune Business Insights wird dieser Marktwert bis 2028 voraussichtlich auf 8,33 Milliarden US-Dollar ansteigen. Dabei treiben vor allem das wachsende Bewusstsein der Verbraucher sowie strenge Vorschriften zur Überwachung und Kontrolle der Luftqualität den Handel an. Und auch das zunehmende Bewusstsein der breiten Masse für Gesundheitsrisiken gibt der Industrie weiteren Auftrieb.

Die Hauptakteure auf dem Markt konzentrieren sich auf die Bereitstellung von Lösungen zur Messung spezifischer Schadstoffe. Diese Substanzen, wie z. B. Schwefeldioxid, Kohlenmonoxid, flüchtige organische Verbindungen und Distickstoffoxid in der Luft, werden auch als „Kriterien-Luftschadstoffe“ bezeichnet. Sie machen die Luft, die wir atmen, auch zu einem Problem für das öffentliche Gesundheitswesen.

Auf die gesamte Welt gerechnet, atmen neun von 10 Menschen ungesunde Luft. Diese Zahl ist alarmierend – vor allem wenn man bedenkt, wie sehr die Luftverschmutzung laut neuen Erkenntnissen die Gesundheit der Menschen schädigt und das Leben verkürzt. Die gesundheitlichen Auswirkungen schlechter Luftqualität gehen dabei weit über Herz- und Lungenkrankheiten hinaus. Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass Luftverschmutzung der Grund für eine ganze Reihe anderer Beschwerden ist: darunter Sehstörungen, Unfruchtbarkeit und langfristige kognitive Beeinträchtigungen.

Eine globale Studie aus dem Jahr 2019 stellte fest, dass fast jede Zelle im Körper durch schmutzige Luft geschädigt werden kann – was auch das Risiko für Autoimmunkrankheiten erhöht.

Nun haben Forscher der Universität Verona herausgefunden, dass die hohe Luftverschmutzung auch langfristig schwere Folgen haben kann: Das Risiko für rheumatoide Arthritis stellte sich als etwa 40 % höher heraus. Entzündliche Darmerkrankungen wie Morbus Crohn und Colitis ulcerosa waren um 20 % wahrscheinlicher. Und auch die Gefahr für B indegewebserkrankungen wie Lupus stieg um ca. 15 %.

Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation (WHO) trägt das Einatmen verschmutzter Luft jedes Jahr zu 7 Millionen vorzeitigen Todesfällen bei. Dies könnte auch die Bedrohung durch COVID-19 weiter verstärken.

Die Verbrennung von Gas, Kohle und Öl weltweit verursacht außerdem etwa dreimal so viele Tote wie Verkehrsunfälle. Im Jahr 2020 berechnete eine Studie von Green Peace die wirtschaftlichen Kosten der Luftverschmutzung auf 2,9 Billionen Dollar. Zu diesem Zeitpunkt entsprach das 3,3 % des weltweiten BIP.

Gezielte und sinnvolle Maßnahmen zur Verringerung der Verschmutzung werden jedoch vor allem durch einen Mangel an Daten verhindert. OpenAQ ist eine gemeinnützige Organisation, die sich dem Austausch von Informationen über die Luftqualität widmet. Sie stellte fest, dass nur die Hälfte der Regierungen weltweit solche Daten überhaupt erfasst oder weitergibt. Viele sehen den Grund dafür in fehlenden finanziellen Mitteln sowie nicht vorhandenem Fachwissen, das für die Bereitstellung dieser Informationen erforderlich wäre.

Letztes Jahr hat jedoch ein Pilotprojekt in der Stadt London in Großbritannien bewiesen, dass neue Technologien wie das Internet der Dinge (IoT) nützliche Daten und Erkenntnisse über die Luftverschmutzung generieren. Denn sowohl bei der Herstellung von kostengünstigen Monitoring-Geräten als auch bei der mobilen Überwachung selbst kommt das IoT zum Einsatz. Mithilfe dieser Technologie können außerdem alle Erkenntnisse zu einem wirtschaftlich sinnvollen Konzept zusammengeführt werden – was die Städte bei der Erreichung ihrer Ziele im Kampf für saubere Luft unterstützt.

Mehr als 250 Kinder in fünf Schulen erhielten tragbare Sensoren, die sie fünf Tage lang auf dem Hin- und Rückweg zur Schule tragen konnten. Während des gesamten Projekts wurden die Kinder so zu „Wissenschaftlern“ – denn dank ihrer speziellen Rucksäcke mit modernsten Luftqualitätssensoren halfen sie dabei, die Luftverschmutzung zu messen. Darüber hinaus installierten die Forscher Sensoren an Fahrzeugen, Laternenpfählen und Gebäuden.

Die kostengünstige Überwachung von Breathe London hat belastbare Daten hervorgebracht. Mit diesen lassen sich Erkenntnisse gewinnen, die mit denen von Referenzmessgeräten im gesamten Netzwerk vergleichbar sind. So entsteht ein besseres Verständnis der Londoner Luftverschmutzung. Für alle nationalen Regierungen, die Informationen über die Luftqualität sammeln oder weitergeben möchten, sind kostengünstige Sensoren und mobile Überwachungssysteme eine gute Möglichkeit, nützliche und zuverlässige Zahlen zu generieren. Mit solchen hyperlokalen Daten wird klar, wann und wo die Luftverschmutzung besonders hoch ist. Dadurch können Städte gezielte Maßnahmen durchführen und sicherstellen, dass die Mittel diejenigen Gemeinden erreichen, die am meisten von den gesundheitlichen Auswirkungen der Luftverschmutzung betroffen sind.

IoT macht Lösungen leichter zugänglich

Die Entwicklungen in der IoT-Technologie haben eine Reihe von vergleichsweise kostengünstigen Sensoren für Luftqualität und -verschmutzung hervorgebracht. Obwohl die meisten preiswerten IoT-Sensoren nicht so genau arbeiten wie ortsgebundene Stationen, liefern sie dennoch gute Hinweise auf Luftqualität und -verschmutzung.

Die Technologie bietet unter anderem folgende Vorteile:

• größerer Erfassungsbereich: Mit IoT-Lösungen lässt sich die Qualität über weite Bereiche hinweg messen, ohne dass zusätzliche Kosten für Personal oder Messungen anfallen.

• geringere Kosten: IoT-Sensoren für Luftqualität und Umweltverschmutzung sind eine kostengünstige Alternative zu festen Messstationen und können Teil einer ganzheitlichen Lösung für das Umweltmanagement sein.

• leichtere Identifizierung von Verschmutzungs-Hotspots und Problembereichen: Durch die breite Abdeckung kann das System Anomalien oder Verschmutzungsausbrüche erkennen, die weiter untersucht werden können.

• sinnvollere Gestaltung von Politik und Entscheidungsfindung: Die Daten unterstützen politische Entscheidungsträger wie Stadtplaner sowie die Verantwortlichen für Bevölkerungsgesundheit, Bildung und Verkehr. Diese können ihre Politik mithilfe der Informationen zur Luftqualität besser gestalten und entwickeln – und in ihre Beschlüsse miteinbeziehen.

• bessere Ergebnisse: Schlechte Luftqualität und Luftverschmutzung stehen in direkter Verbindung zur Gesundheitslage und der Lebenserwartung. Die Messung der Luftqualität ist ein erster Schritt in Richtung der Lösung solche Probleme.

• größere Transparenz: Viele Behörden entscheiden sich dafür, Informationen über die Luftqualität öffentlich mit ihren Einwohnern und Unternehmen zu teilen. Dies fördert die Transparenz und stärkt die Unterstützung der Menschen für positive Veränderungen im Umweltsektor und die Bewältigung des Klimaproblems.

Wenn die empfohlenen Praktiken für die Planung, den Einsatz und die Wartung dieser Geräte befolgt werden, können kostengünstige Überwachungsnetze zur Schließung der Lücken beim Monitoring der Luftqualität in städtischen Gebieten beitragen. So lässt sich ein vollständigeres Bild der Luftbeschaffenheit erstellen. Dieses liefert die dringend benötigten Daten, um den Schutz der Gesundheit von Menschen in zunehmend bevölkerten und verschmutzten Gebieten zu gewährleisten.

Überwachung in Innenräumen

Aufgrund der zunehmenden Beliebtheit von „Smart Homes“ und „Green Buildings“ wird erwartet, dass die Nachfrage nach Lösungen für die Innenraumüberwachung erheblich steigen wird. Weitere Chancen für den Markt bieten die technologischen Fortschritte im Bereich des Luftverschmutzungs-Monitorings sowie der kontinuierliche Ausbau der petrochemischen Industrie und der Energieerzeugung.

Das Internet der Dinge (IoT) bietet hier ebenfalls Erleichterungen – vor allem aufgrund der Möglichkeit zur Verbindung mit Überwachungslösungen, die bereits an Arbeitsplätzen in der Industrie, der Landwirtschaft oder in anderen Wirtschaftszweigen eingesetzt werden.

Wir verbringen bis zu 90 % unserer Zeit in Innenräumen. Im Gegensatz zur Außenluft wird die Raumluft über einen längeren Zeitraum nicht ausgetauscht, wodurch sich in diesen Räumen Schadstoffe ansammeln können.

Die Innenraumluftqualität (IAQ) hängt im weitesten Sinne von den Umgebungseigenschaften in Gebäuden ab. Sie können die Gesundheit, das Wohlbefinden oder die Arbeitsleistung von Menschen beeinträchtigen. Zu diesen IAQ-Merkmalen gehören sowohl die Schadstoffkonzentrationen in der Innenraumluft als auch die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit.

Eine wirksame IAQ-Messung verringert die mit schlechter Innenraumluft verbundenen Gesundheitsrisiken und schafft eine sicherere und harmonischere Umgebung, in der sich die Menschen wohlfühlen.

Zu den typischen Symptomen einer schlechten Innenraumluftqualität gehören Reizungen der Augen, der Nase und des Rachens, Kopfschmerzen, Übelkeit, Schwindel und Müdigkeit. In einigen Fällen kann die Belastung durch Innenraumluftverschmutzung zu akuten und chronischen Erkrankungen führen, z. B. Asthma, Lungenkrebs, Lungenentzündung, systemischer Bluthochdruck, chronisch obstruktive Lungenerkrankungen (COPD), Legionärskrankheit und „Befeuchterfieber “.

Die COVID-19-Pandemie hat die Überwachung der Luftqualität zusätzlich in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit gerückt. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Minimierung der Virusübertragung in Schulen, Büros und Restaurants. Zusammen mit Verhaltensänderungen wie „Social Distancing“ müssen Gebäudeeigentümer und -betreiber eine Reihe von Instrumenten und Strategien implementieren. So können sie die Betriebsleistung von Häusern optimieren und bei ihren Mietern das Vertrauen in einen sicheren Arbeitsplatz fördern. Wissenschaftlichen Untersuchungen zufolge kann die Verbesserung der Luftqualität in Innenräumen die Übertragung von Aerosol-Viren ebenso wirksam reduzieren wie die Impfung von 50–60 % der Bevölkerung.

Durch ein wirksames Monitoring der Luftqualität in den Räumen können Arbeitgeber sicherstellen, dass ihre Mitarbeiter eine gesündere Umgebung mit sauberer Luft vorfinden – frei von potenziell gefährlichen Chemikalien und Schadstoffen. Dadurch werden die Mitarbeiterbindung und die Produktivität erhöht sowie Fehlzeiten verringert.

Zu den häufigen Ursachen für eine schlechte Luftqualität in Innenräumen gehören ungenügend gewartete Klimaanlagen, Holz- und Kohleöfen, nicht entlüftete Gasheizungen, Tabakrauch in der Umgebung und Autoabgase. Bei der Planung oder Verwaltung eines Gebäudes ist es wichtig, auf Dinge wie die verwendeten Baumaterialien, Teppichböden, Möbel sowie die Wahl von Lösungs- und Reinigungsmitteln zu achten. Die Luftqualität ist ein besonders bedeutsames Kriterium, da schlecht belüftete Räume (zusammen mit Umweltfaktoren wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit) die Schadstoffkonzentration erhöhen können.

Eine genaue Überwachung der Luftbeschaffenheit in Innenräumen macht Bewohner und Gebäudeeigentümer auf das Ausmaß und die Art der Verschmutzung aufmerksam. So können auch Abhilfemaßnahmen ergriffen werden.

Einige typische Anwendungsfälle für das Monitoring der Luftqualität in Innenräumen sind:

• Untersuchung und Analyse von IAQ-Beschwerden
• HVAC-Leistungsüberwachung
• technische Analyse der Luftqualität
• Ermittlung und Beseitigung von Schimmel
• Bewertung von Gesundheit und Wohlbefinden

Eingeatmete Gase und Partikel in der Luft sind die Hauptursachen für eine schlechte Raumluftqualität. Hier einige Beispiele:

• Schadstoff: Kohlendioxid
• Sensor: CO₂
• Hauptquellen: Sick-Building-Syndrom (SBS), übermäßige Gebäudebelegung und unzureichende Belüftung
• Mögliche gesundheitliche Auswirkungen: Müdigkeit, Reizung von Augen, Nase und Rachen, Kopfschmerzen, Beschwerden in der Brust und Erkrankungen des Respirationstrakts

• Schadstoff: Kohlenmonoxid
• Sensor: CO
• Hauptquellen: unzureichend belüftete oder defekte Gasgeräte, Holz- und Kohleöfen, Tabakrauch und Fahrzeugabgase
• Mögliche gesundheitliche Auswirkungen: Kopfschmerzen, Übelkeit, Angina pectoris, Beeinträchtigung des Sehvermögens und der geistigen Leistungsfähigkeit – in hohen Konzentrationen tödlich

• Schadstoff: Tabakrauch in der Umgebung
• Sensor: COPM
• Hauptquellen: Zigaretten, Zigarren und Pfeifen
• Mögliche gesundheitliche Auswirkungen: Reizung der Atemwege, Bronchitis und Lungenentzündung bei Kindern, Emphyseme, Lungenkrebs und Herzkrankheiten

• Schadstoff: Organische Chemikalien
• Sensor: VOC
• Hauptquellen: Aerosolsprays, Lösungsmittel, Klebstoffe, Reinigungsmittel, Pestizide, Farben, Mottenschutzmittel, Lufterfrischer, chemische Reiniger und behandeltes Wasser
• Mögliche gesundheitliche Auswirkungen: Reizung von Augen, Nase und Rachen, Kopfschmerzen, Koordinationsverlust, Leber-, Nieren- und Hirnschäden sowie verschiedene Arten von Krebs

• Schadstoff: Ozon
• Sensor: O₃
• Hauptquellen: Bodennahes Ozon, das in Innenräume eindringt, schlecht funktionierende Luftreinigungssysteme sowie Bürokopierer und Drucker
• Mögliche gesundheitliche Auswirkungen: Reizung von Augen, Nase und Rachen, Husten, Beschwerden in der Brust, eingeschränkte Lungenfunktion und Kurzatmigkeit

• Schadstoff: Stickstoffoxide
• Sensor: NO₂
• Hauptquellen: unzureichend belüftete oder defekte Gasgeräte sowie Fahrzeugabgase
• Mögliche gesundheitliche Auswirkungen: Reizung von Augen, Nase und Rachen sowie Zunahme von Atemwegsinfektionen bei Kindern

• Schadstoff: TSP (gesamtes Aufkommen an Schwebepartikeln) PM 10 (thorakale Fraktion ≤ 10 μm) PM 2.5 (lungengängige Fraktion ≤ 2.5 μm) PM 1 (Partikel ≤ 1.0 μm)
• Sensor: PM
• Hauptquellen: Zigaretten, Holz- und Kohleöfen, Kamine, Aerosole und Hausstaub
• Mögliche gesundheitliche Auswirkungen: Reizung von Augen, Nase und Rachen, erhöhte Anfälligkeit für Infektionen der Atemwege, Bronchitis und Lungenkrebs

• Schadstoff: Formaldehyd
• Sensor: CHCO
• Hauptquellen: Gepresste Holzprodukte (z. B. Sperrholz und MDF), Möbel, Tapeten, dauerhaft gepresste Gewebe
• Mögliche gesundheitliche Auswirkungen: Reizung von Augen, Nase und Rachen, Kopfschmerzen, allergische Reaktionen und Krebs

Die wichtigsten Quellen von Innenraumluftschadstoffen und ihre möglichen gesundheitlichen Auswirkungen sind:

• Schadstoff: Biologische Stoffe (Bakterien, Viren, Pilze, Tierhaare, Hausstaubmilben)
• Hauptverursacher: Haushaltsstaub, Bettwäsche, Haustiere, schlecht gewartete Klimaanlagen, Luftbefeuchter oder Luftentfeuchter, nasse oder feuchte Gebäude, Möbel
• Mögliche gesundheitliche Auswirkungen: Allergische Reaktionen, Asthma, Reizung von Augen, Nase und Rachen, Feuchtigkeit, Grippe und andere Infektionskrankheiten

• Schadstoff: Asbest
• Hauptquellen: Beschädigte oder veraltete Isolier-, Feuerschutz- und Akustikdämmungsmaterialien
• Mögliche gesundheitliche Auswirkungen: Asbestose, Lungenkrebs, Mesotheliome und andere Krebsarten

• Schadstoff: Blei
• Hauptverursacher: Bleifarbe (durch Abschleifen oder Verbrennen in offener Flamme), Haushaltsstaub
• Mögliche gesundheitliche Auswirkungen: Nerven- und Hirnschäden (insbesondere bei Kindern), Anämien, Nierenschäden, Wachstumsverzögerungen

• Schadstoff: Radon
• Hauptquellen: Erdreich unter Gebäuden, verschiedene Bauten und Materialien aus Erde, Grundwasser
• Mögliche gesundheitliche Auswirkungen: Lungenkrebs

Infolge des gestiegenen Bewusstseins für die Risiken einer schlechten Luftqualität in Innenräumen haben Regierungen auf der ganzen Welt ihre Normen verschärft und verlangen von den Gebäudeeigentümern eine Überwachung der Raumluft. Bislang galten die umfangreicheren Vorschriften für öffentliche Einrichtungen und Bürogebäude. Doch sie könnten in Zukunft auch für neu errichtete Wohngebäude gelten.

In Anerkennung der Notwendigkeit, eine gesunde Innenraumluft zu fördern, haben internationale Organisationen für grünes Bauen Standards wie WELL und LEED entwickelt. Sie dienen als Maßstab für Bauherren und Eigentümer von Wohn-, Gewerbegebäuden (einschließlich Büros, Einkaufszentren, Schulen, Flughäfen, Krankenhäusern usw.) sowie Industriebauten. Mithilfe dieser Richtlinien wird der Rahmen für die Gewährleistung von gesünderen und nachhaltigeren Bauformen geschaffen.

Es gibt zwei Hauptmethoden zur Beurteilung der Luftqualität in Innenräumen:

• Echtzeitmessungen (kontinuierlich): Echtzeit-Überwachungsgeräte können zum Aufspüren der Quellen für gesundheitsgefährdende Substanzen eingesetzt werden und liefern Informationen über die Schwankungen der Schadstoffwerte im Laufe des Tages.

• Integrierte Probenahme mit anschließender Laboranalyse: Integrierte Probenahmen, die normalerweise während eines 8-stündigen Büroarbeitstages durchgeführt werden, können Informationen über die Gesamtexposition gegenüber einem bestimmten Schadstoff liefern.

Beides wird durch die Installation von IoT-Sensoren erheblich erleichtert. Aus diesem Grund ist der LoRaWAN-Standard vielerorts zur bevorzugten Infrastruktur für die IAQ-Überwachung geworden.