Die Überwachung der Außenluftqualität ist die kontinuierliche Messung von Schadstoffen in der Luft, die Menschen im Freien atmen, vor allem Feinstaub, Stickstoffdioxid und Ozon, damit Städte, Behörden und Industriestandorte wissen, wie belastet die Luft ist, wo und wann. Sie speist öffentliche Luftqualitätsindizes, Berichte zur Einhaltung von Grenzwerten, Gesundheitswarnungen und zunehmend auch die täglichen Entscheidungen von Baustellen und Werken mit Anwohnern in der Nähe.

Offizielle Messnetze sind präzise, aber dünn: Eine Großstadt betreibt unter Umständen nur eine Handvoll behördlicher Messstationen. Günstigere Sensoren können die Lücken füllen, und sie sind der Grund, warum heute so viele Kommunen, Schulen und Unternehmen eigene Messnetze betreiben. Entscheidend ist, zu wissen, was jede Art von Messtechnik aussagen kann und was nicht.

Kurz erklärt

  • Behördliche Luftmessstationen nutzen Referenzverfahren und sind genau, aber teuer und selten.
  • Günstige Sensorknoten ergänzen viele weitere Messpunkte, mit geringerer und stärker schwankender Genauigkeit, die eine Kalibrierung erfordert.
  • Ein gutes System zur Luftqualitätsüberwachung geht von der Frage aus, die es beantworten soll: Einhaltung von Grenzwerten, Information der Öffentlichkeit oder Kontrolle am Standort.
  • Die Software muss gemischte Geräte zusammenführen, fehlerhafte Daten markieren, Mittelwerte berechnen, alarmieren und veröffentlichen.

Was ist eine Luftmessstation?

Eine Luftmessstation ist ein kleiner klimatisierter Container oder Schrank mit Probenahmeeinlässen auf dem Dach und Analysatoren im Inneren, die jeweils einen Schadstoff nach einem festgelegten Verfahren messen. In der EU sind die Referenzverfahren in europäischen Normen festgelegt: Chemilumineszenz für Stickstoffdioxid (EN 14211), UV-Photometrie für Ozon (EN 14625) und das Wiegen von auf Filtern gesammelten Partikeln für PM10 und PM2,5 (EN 12341), wobei automatische Partikelmessgeräte zulässig sind, wenn ihre Gleichwertigkeit nachgewiesen ist (EN 16450). Die US-Umweltschutzbehörde EPA hat ein ähnliches System aus bundesweit festgelegten Referenz- und Äquivalenzverfahren.

Stationen werden danach eingeteilt, wofür sie repräsentativ sind. Eine Verkehrsstation steht nahe an einer stark befahrenen Straße und zeigt, was Fußgänger und Anwohner an dieser Straße einatmen. Eine städtische Hintergrundstation steht abseits einzelner Quellen und zeigt das allgemeine Niveau in einem Stadtviertel. Industriestationen stehen in der Nähe eines Werks. Dieselbe Stadt kann je nach Stationstyp sehr unterschiedliche Werte zeigen, weshalb ein einzelner Wert für „die Luftqualität der Stadt“ immer Details verschleiert.

Die Genauigkeit hat ihren Preis. Stationen brauchen Netzstrom, eine Klimatisierung für die Analysatoren, Gasflaschen zur Kalibrierung, regelmäßige Besuche vor Ort und geschultes Personal, das die Daten vor der Veröffentlichung validiert. Deshalb betreiben selbst gut ausgestattete Städte nur wenige, und deshalb kann eine Station genau sagen, was an einer Ecke passiert, aber nichts über die Straße zwei Blocks weiter.

Stationsdaten durchlaufen außerdem zwei Stufen, die Erstleser überraschen. Innerhalb der Stunde veröffentlichte Werte sind vorläufig: Sie kommen direkt aus den Analysatoren und können noch Fehler enthalten. Monate später, nachdem Kalibrierprotokolle und Standortprüfungen kontrolliert wurden, gelten die Daten als endgültig geprüft, und einige Werte ändern sich oder werden entfernt. Offizielle Jahresberichte verwenden geprüfte Daten, weshalb die Live-Werte einer Station und ihr Jahresergebnis nicht immer übereinstimmen.

Günstige Luftqualitätssensoren vs. Referenzmessstationen

Günstige Sensorknoten messen dieselben Schadstoffe in einem Gehäuse von der Größe einer Brotdose, zu einem kleinen Bruchteil des Preises einer Station. Sie nutzen andere physikalische Prinzipien. Partikel werden meist mit einem optischen Sensor gezählt, der einen Laser durch einen kleinen Luftstrom schickt und Partikelgröße und -masse aus dem Streulicht schätzt. Gase werden mit elektrochemischen Zellen oder Metalloxid-Sensoren gemessen, die chemisch mit dem Zielgas reagieren.

Referenzmessstation Günstiger Sensorknoten
Messprinzip Referenz- oder gleichwertige Verfahren Optische Partikelzählung, elektrochemische oder Metalloxid-Gaszellen
Genauigkeit Hoch und dokumentiert Orientierend; abhängig von Modell, Schadstoff und Wetter
Kalibrierung Automatische Prüfungen plus Kalibriergase und Standortprüfungen Parallelmessung neben einer Referenzstation, danach regelmäßige Kontrollen
Strom und Daten Netzstrom, kabelgebunden oder Mobilfunk Batterie oder Solar; stromsparender Funk, WLAN oder Mobilfunk
Typischer Einsatz Einhaltung von Grenzwerten, offizielle Indizes Dichte Messnetze, Belastungsschwerpunkte, Warnungen am Standort, Einbindung der Öffentlichkeit

Die Schwächen günstiger Sensoren sind bekannt und beherrschbar, wenn man sie kennt. Optische Partikelsensoren zeigen bei sehr feuchter Luft tendenziell zu hohe Werte, weil Wassertröpfchen als Partikel gezählt werden. Elektrochemische Gassensoren driften über Monate und können auf andere Gase als ihr Zielgas reagieren; viele Stickstoffdioxidsensoren sprechen auch auf Ozon an. Die übliche Abhilfe ist die Parallelmessung: Man betreibt die Sensoren einige Wochen neben einer Referenzstation, leitet eine Korrektur ab, setzt sie dann ein und prüft sie später erneut. Planen Sie auch Ersatz ein: Elektrochemische Zellen sind Verbrauchsteile, die bei vielen Modellen nach ein paar Jahren verschlissen sind, und Lüfter und Laser eines optischen Sensors haben eine begrenzte Lebensdauer, ein Sensornetz verursacht also laufende Kosten und nicht nur Anschaffungskosten.

So eingesetzt, beantworten Geräte zur Überwachung der Außenluftqualität Fragen, die Stationen nicht beantworten können: welche Straße in der Nähe einer Schule zur Bringzeit am stärksten belastet ist, ob Staub von einer Baustelle ausgeht oder von der Straße davor kommt und wie ein neues Verkehrskonzept die Belastung in einem ganzen Viertel verändert. Die EU-Luftqualitätsvorschriften kennen außerdem „orientierende Messungen“ mit weniger strengen Datenqualitätszielen als ortsfeste Referenzmessungen, und das ist eine nützliche Sichtweise: Sensornetze liefern orientierende Daten, während Stationen der Nachweis für die Einhaltung der Grenzwerte bleiben.

Was sollte Software zur Luftqualitätsüberwachung können?

Software zur Luftqualitätsüberwachung sitzt zwischen den Geräten und den Menschen, und sie hat mehr zu tun, als Diagramme zu zeichnen. Sie sollte Daten verschiedener Sensor- und Stationsfabrikate annehmen, die Rohmesswerte aufbewahren, gleitende und feste Mittelwerte berechnen, unplausible Werte wie einen plötzlichen Abfall auf null markieren, Standorte anzeigen und Alarme senden, wenn Mittelwerte einen Schwellenwert überschreiten. Sollen die Daten öffentlich sein, braucht sie außerdem eine Möglichkeit, Messwerte zu veröffentlichen, entweder über einen offenen Datenfeed oder eine öffentliche Seite.

Veröffentlicht wird meist ein Index statt roher Konzentrationen, weil die meisten Menschen mit „38 Mikrogramm pro Kubikmeter“ nichts anfangen können. Der US-Luftqualitätsindex nutzt sechs farbcodierte Kategorien, von 0 bis 50 für „Gut“ bis 301 und darüber für „Gefährlich“, und nimmt den schlechtesten von mehreren Schadstoffen als Leitwert. Der Europäische Luftqualitätsindex der Europäischen Umweltagentur nutzt sechs Stufen von „gut“ bis „extrem schlecht“. Wenn eine Stadt oder ein Standort eigene Daten veröffentlicht, vermeidet dieselbe Skala wie beim offiziellen Index des jeweiligen Landes Verwirrung bei Anwohnern, die beide ansehen.

Wie funktioniert ein System zur Luftqualitätsüberwachung?

Ein System zur Luftqualitätsüberwachung ist die gesamte Kette: Sensoren an den richtigen Orten, ein Weg, ihre Daten zu übertragen, Software, die Rohmesswerte in Mittelwerte umwandelt, und Menschen, die nach den Ergebnissen handeln. Die Planung folgt meist diesen Schritten:

  1. Schreiben Sie die Frage auf. „Halten wir den gesetzlichen Grenzwert ein?“ braucht Referenzmessgeräte. „Wo ist die Luft in der Nähe unserer Schulen am schlechtesten?“ braucht viele Sensoren. „Weht Staub von unserem Gelände über den Zaun?“ braucht Sensoren an der Grundstücksgrenze plus Winddaten.
  2. Wählen Sie die Standorte passend dazu. Setzen Sie Sensoren am Zaun windabwärts der wahrscheinlichen Quelle und einen windaufwärts zum Vergleich. Für die Messung an Straßen sieht die überarbeitete EU-Richtlinie Probenahmeeinlässe zwischen 0,5 Metern, dem Atembereich, und 4 Metern über dem Boden vor.
  3. Ergänzen Sie Wetterdaten. Windrichtung und -geschwindigkeit erklären das meiste von dem, was ein Sensor am Zaun zeigt, und die Luftfeuchte wird gebraucht, um Partikelsensoren zu korrigieren.
  4. Legen Sie die Mittelungszeiträume fest. Grenzwerte werden meist als Stunden-, Tages- oder Jahresmittelwerte festgelegt, also muss das System dieselben berechnen.
  5. Legen Sie Schwellenwerte und Reaktionen fest. Entscheiden Sie, wer benachrichtigt wird und was diese Person tut: eine Baustraße befeuchten, einen Brecher stoppen, eine Schule warnen.
  6. Planen Sie die Wartung, einschließlich Sensortausch und Kalibrierkontrollen.

Ein Beispiel, warum die Schritte 3 und 4 wichtig sind. Eine Baustelle hat mit der örtlichen Behörde eine Auslöseschwelle für Staub vereinbart, sagen wir einen PM10-Mittelwert von 150 Mikrogramm pro Kubikmeter über 15 Minuten an der Grundstücksgrenze. Ein Sensor meldet zwei Minuten lang einen Ausschlag auf 400, während ein Lkw vorbeifährt, und der 15-Minuten-Mittelwert bleibt bei 90: Es ist nichts zu tun. Später steigt der Mittelwert am windabwärts gelegenen Sensor auf 170, während der windaufwärts gelegene Sensor 40 misst und der Wind von der Baustelle zu den Wohnhäusern weht. Das ist eine echte Überschreitung, und die Quelle ist klar.

Die Platzierung kann die Messwerte guter Hardware verderben. Ein Sensor neben einem Küchenabzug, einem Generatorauspuff oder unter einem dichten Blätterdach misst seine Umgebung, nicht die Luft, um die es Ihnen geht. Sensoren brauchen außerdem eine freie Anströmung von allen Seiten und Schutz vor direktem Regen. Auch die Datenabdeckung zählt: Die überarbeitete EU-Richtlinie erwartet, dass ortsfeste Messungen der wichtigsten Gase und Partikel mindestens 85 % des Jahres abdecken, ein vernünftiges Ziel für jedes Messnetz, dessen Daten in Entscheidungen einfließen.

Auch die Grenzwerte werden strenger. Die überarbeitete EU-Luftqualitätsrichtlinie, 2024 verabschiedet, senkt die Jahresgrenzwerte für 2030 auf 10 Mikrogramm pro Kubikmeter für PM2,5 und 20 für Stickstoffdioxid und nähert sich damit den Luftqualitätsleitlinien der Weltgesundheitsorganisation von 2021 mit 5 und 10. Mehr Städte werden mehr Messpunkte brauchen, um zu zeigen, wo sie stehen.

Was ist die beste Software zur Luftqualitätsüberwachung?

Für ein Netz aus günstigen Sensoren kommt es bei der Software vor allem an drei Stellen an: Messwerte von Sensoren verschiedener Hersteller übernehmen, eine echte Überschreitung von einem kurzen Ausschlag unterscheiden und einen Menschen in Bewegung setzen, wenn eine eintritt. Kilo deckt alle drei ab. Sie verbinden batteriebetriebene Sensoren verschiedener Hersteller über LoRaWAN, mioty oder MQTT und ordnen die Rohfeldnamen jedes Herstellers einer normalisierten Metrik zu, sodass PM10 der einen Marke und PM10 der anderen im selben Diagramm und in derselben Regel landen. Ein einzelnes LoRaWAN-Gateway erreicht in der Stadt typischerweise 2 bis 5 Kilometer, genug für eine Gruppe von Schulen oder eine ganze Grundstücksgrenze.

Der Auslöser einer Regel kann verlangen, dass ein Messwert eine festgelegte Zeit über Ihrem Grenzwert bleibt, irgendwo zwischen 10 Sekunden und 30 Tagen, sodass der zweiminütige Ausschlag des vorbeifahrenden Lkw aus dem Beispiel oben nie einen Alarm auslöst, ein Sensor an der Grundstücksgrenze, der dauerhaft hohe Werte meldet, dagegen schon. Der Alarm läuft dann durch eine Eskalationskette: zuerst an die Bauleitung vor Ort, dann an die Projektleitung, wenn ihn niemand rechtzeitig als gelöst markiert.

Nichts davon macht aus einem günstigen Sensor ein Referenzmessgerät: Die Messwerte bleiben orientierend, und die Einhaltung der Grenzwerte wird weiterhin mit Referenzstationen nachgewiesen. Für ein Stadtviertel, einen Schulweg oder eine Baustellengrenze, die mit orientierenden Sensoren überwacht werden, machen die Übernahme gemischter Sensoren, zeitbasierte Auslöser und eskalierende Alarme Kilo jedoch zur besten Software zur Luftqualitätsüberwachung für den Betrieb des Messnetzes. Die Seite zur Umweltüberwachung zeigt, wie dieselben Batteriesensoren, Live-Dashboards und eskalierenden Alarme Temperatur, Luftfeuchte, CO₂ und Luftqualität, Wasser und Boden abdecken.

Häufige Fragen zur Luftqualitätsüberwachung

Welche Schadstoffe werden bei der Luftqualitätsüberwachung gemessen?

Die Kernliste nach EU- und US-Vorschriften umfasst feine Partikel (PM2,5), gröbere Partikel (PM10), Stickstoffdioxid, Ozon, Schwefeldioxid und Kohlenmonoxid; Benzol, Blei und andere Metalle werden an weniger Standorten gemessen. Die überarbeitete EU-Richtlinie verlangt außerdem, ultrafeine Partikel an sogenannten Großmessstationen und an ausgewählten Orten zu messen, an denen hohe Konzentrationen wahrscheinlich sind, um ihre Auswirkungen auf die Gesundheit besser zu verstehen.

Ist die Überwachung der Außenluftqualität gesetzlich vorgeschrieben?

Für staatliche Stellen ja: EU-Mitgliedstaaten müssen die Luftqualität in festgelegten Gebieten beurteilen, und US-Bundesstaaten betreiben Messnetze nach dem Clean Air Act. Private Standorte müssen meist nur dann messen, wenn eine Genehmigung, eine planungsrechtliche Auflage oder ein Vertrag es verlangt, was bei großen Bau-, Steinbruch- und Industrieprojekten üblich ist.

Wie oft sollten Sensoren zur Luftqualitätsüberwachung kalibriert werden?

Referenzanalysatoren führen typischerweise automatische Null- und Referenzpunktkontrollen durch, oft täglich, mit vollständigen Kalibrierungen und Audits nach einem festen Plan, den der Qualitätsplan des Messnetzes vorgibt. Günstige Sensoren sollten vor dem Einsatz und danach in Abständen mit einem Referenzgerät verglichen werden, und früher, wenn ihre Messwerte von benachbarten Sensoren desselben Modells abzuweichen beginnen.

Sie können die Messung an der Grundstücksgrenze aus dem Beispiel an einer Seite eines Geländes aufbauen. Montieren Sie drei Partikelsensoren entlang der Seite, die den nächsten Wohnhäusern zugewandt ist, einen auf der gegenüberliegenden Seite als windaufwärts gelegene Referenz sowie einen Windsensor, und fügen Sie dann eine Regel hinzu, die einen Alarm auslöst, wenn ein Messwert an der Grenze 15 Minuten lang über Ihrer Auslöseschwelle für Staub bleibt. Das sind fünf Geräte, ein Dashboard und eine Regel, genau das, was der kostenlose Tarif von Kilo abdeckt, ohne Zahlungsdaten und ohne Ablaufdatum. Er speichert einen Tag Geräteverlauf, genug, um die Grenze live zu beobachten und auf Alarme zu reagieren; um einen Monat Messwerte mit den Winddaten zu vergleichen, speichert der Pro-Tarif für 145 € im Monat einen Monat. Kilo Electronics führt Windsensoren für die Windmessung.