Schlaf ist für eine gute Gesundheit unerlässlich, und wir verbringen etwa ein Drittel unseres Lebens mit Schlafen. Guter Schlaf unterstützt die Gehirnfunktion, das emotionale Gleichgewicht und die körperliche Erholung. [1] Chronischer Schlafmangel steht in Zusammenhang mit schwerwiegenden Gesundheitsproblemen, wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Stoffwechselstörungen (z. B. Diabetes), einem geschwächten Immunsystem, kognitivem Verfall sowie psychischen Problemen wie Depressionen und Angstzuständen. Laut der globalen Schlafumfrage 2025 von ResMed [2] hat ein Drittel der Menschen mindestens dreimal pro Woche Probleme beim Ein- oder Durchschlafen und bewertet nur vier von sieben Nächten als erholsam.
Trotz des wachsenden Bewusstseins für die Bedeutung des Schlafs wird ein stiller Störfaktor oft übersehen: die Luft, die wir nachts atmen. Und die ist oft schlechter als gedacht. In modernen, dichten Wohnungen steigen die CO₂-Konzentrationen im Schlafzimmer rasch an. Bereits nach etwa einer Stunde werden 1.000 ppm erreicht. Am Morgen sind in schlecht gelüfteten Räumen 3.000 bis 5.000 ppm keine Seltenheit und die CO₂-Konzentrationen liegt damit deutlich oberhalb der Empfehlungsbereiche gängiger Gebäude- und IAQ-Standards. [3 bis 7]
Im Gegensatz zu schlechtem Schlaf, Lärm oder Licht, die wir sofort spüren und wahrnehmen, sind erhöhte CO₂-Werte unsichtbar und geruchlos. Die meisten Menschen ahnen daher nicht, dass dies ihren Schlaf beeinträchtigt. Die Wissenschaft ist sich jedoch einig: Eine schlechte Belüftung führt zu erhöhten CO₂-Werten und möglicherweise zu anderen biologischen Abgasen und Luftschadstoffen. Dies steht in einem eindeutigen Zusammenhang mit verminderter Schlafeffizienz, vermindertem Tiefschlaf und beeinträchtigter kognitiver Leistungsfähigkeit am nächsten Tag. Der vollständige kausale Zusammenhang zwischen CO₂-Belastung in der Umgebung und Schlafqualität wird noch untersucht. Aktuelle Erkenntnisse deuten jedoch bereits auf mehrere Mechanismen hin, durch die ein erhöhter CO₂-Gehalt während des Schlafs den Körper beeinflussen kann – von der Stimulation der Atmung bis hin zu metabolischen und neurologischen Stressreaktionen.
CO₂ und kognitive Leistungsfähigkeit
Schlaf und kognitive Leistungsfähigkeit sind eng miteinander verbunden. Schlechter Schlaf beeinträchtigt das Gedächtnis, die Entscheidungsfindung und die emotionale Regulierung. Eine schlechte Belüftung und ein hoher CO₂-Gehalt in der Raumluft beeinträchtigen jedoch nicht nur den Schlaf, sondern können auch direkte Auswirkungen auf die Gehirnfunktion haben.
In Studien, in denen die Teilnehmerinnen und Teilnehmer in Räumen mit reduziertem CO₂-Gehalt (von ~2.500 ppm auf ~900 ppm) schliefen, zeigten sich am nächsten Morgen eine verbesserte verbale Argumentationsfähigkeit, ein besseres Arbeitsgedächtnis und eine höhere Wachsamkeit. Sie berichteten auch, dass sie sich erfrischt und geistig klarer fühlten. [8] Auch während der Wachzeiten sinken die Entscheidungsleistungen bereits bei CO₂-Werten von ~1.000 ppm deutlich und erreichen bei 2.500 ppm, einem häufig in Klassenzimmern, Büros und Fahrzeugen anzutreffenden CO₂-Gehalt, ein fast dysfunktionales Niveau. Besonders betroffen waren Aufgaben, die strategisches Denken, Initiative und die Nutzung von Informationen erforderten. [9]
CO₂ ist somit nicht nur ein Komfortparameter, sondern auch eine handfeste Steuerungsgröße für die bedarfsgerechte Lüftung und ein einfacher Proxy für die nächtliche Innenraumluftqualität.
Intelligentere Sensorik für ein gesünderes Leben
Sensoren ermöglichen es Anwenderinnen und Anwendern, die Luftqualität in Echtzeit zu überwachen, HLK-(Heizung, Lüftung, Klima)-Systeme zu optimieren und so ein gesünderes Raumklima zu schaffen. In der Entwicklung stellt sich damit nicht die Frage ob, sondern wie CO₂ gemessen wird.
Zwei technische Ansätze dominieren:
- Photoakustisches NDIR (PA-NDIR): Ein modulierter Infrarotstrahl trifft auf CO₂-Moleküle, deren Schwingungen Druckschwankungen erzeugen. Diese werden durch ein MEMS-Mikrofon detektiert. Vorteile sind eine hohe Selektivität, Langzeitstabilität und Normkonformität.
- Thermische Leitfähigkeit (TC): Hierbei wird die Veränderung der Wärmeleitfähigkeit des Gasgemischs durch den CO₂-Anteil erfasst. Vorteile sind eine extrem kompakte Bauform, ein geringer Energieverbrauch und niedrigere Kosten. Ein Nachteil hingegen ist die geringere Selektivität gegenüber Gasgemischen.
Beide Ansätze sind etabliert, unterscheiden sich jedoch in Integrationsaufwand, Formfaktor und Eignung für normkonforme IAQ-Applikationen (Indoor Air Quality).
Sensoren für verschiedene Integrationsszenarien
Sensirion bietet eine Reihe von Sensoren. Die Sensoren SCD41 und SCD43 basieren auf nichtdispersiver infraroter photoakustischer Technologie, bieten eine hohe Genauigkeit und eignen sich ideal für zertifizierte Gebäude, die grüne Standards wie WELL, LEED, RESET und Fitwel erfüllen möchten. Diese Sensoren können in intelligente Thermostate, Luftreiniger und Gebäudemanagementsysteme integriert werden, um eine bedarfsgesteuerte Belüftung zu ermöglichen und eine optimale Raumluftqualität zu gewährleisten (siehe Bild 1).
Für Unterhaltungselektronik bietet der Sensor STCC4 eine kostengünstige Lösung mit direkter CO₂-Messung nach dem Prinzip der Wärmeleitfähigkeit. Er kann in Wecker, Smartphones, Laptops und sogar tragbare Gesundheitsmonitore eingebaut werden, sodass Anwenderinnen und Anwender Tag und Nacht ihre Belastung durch schlechte Luftqualität verfolgen können (siehe Bild 2).
SCD41 – der kompakte Allrounder
- Messbereich: 400–5.000 ppm
- Genauigkeit: ± (50 ppm + 2,5 % v. M.) bis 1.000 ppm, ± (50 ppm + 3 % v. M.) bis 2.000 ppm, ± (40 ppm + 5 % v. M.) bis 5.000 ppm
- Stromaufnahme: ~15 mA bei Messintervallbetrieb
- Versorgung: 2,4–5,5 V
- Energiespar- und Single-Shot-Modi verfügbar
- Integrierte Temperatur- und Feuchtemessung zur Kompensation
- Schnittstelle: I²C
- Baugröße: 10,1 × 10,1 × 6,5 mm³
- Typische Anwendungen: DCV-Regelungen, Thermostate, IAQ-Monitore
SCD43 – normgerechte Präzision
- Messbereich: 400–5.000 ppm
- Verbesserte Genauigkeit: ± (30 ppm + 3 % v. M.)
- Zertifizierung: optimiert für WELL, LEED, RESET, ASHRAE
- Identischer Footprint wie SCD41 (10,1 × 10,1 × 6,5 mm³)
- Vergleichbare Leistungsaufnahme wie beim SCD41
- Single-Shot-Betrieb möglich
- Typische Anwendungen: Gebäudeautomation, zertifizierte Luftqualitätsmessgeräte und Demand-Controlled Ventilation (DCV), Upgrades bei verschärften Normen
STCC4 – ultrakompakter TC-Sensor
- Messbereich: 400–5.000 ppm
- Genauigkeit: ± (100 ppm + 10 % v. M.)
- Baugröße: 4 × 3 × 1,2 mm³ (SMD-tauglich, Tape-and-Reel)
- Stromaufnahme: ~950 µA bei 1 Hz Messrate
- Schnittstelle: I²C
- τ63%-Ansprechzeit: ~20 s
- Werkseitig kalibriert, einfache Integration
- Typische Anwendungen: Wearables, Smart Speaker, Mobilgeräte und kostensensitive IAQ-Produkte, Thermostate
- Vorteil: Besonders geeignet für batterienahe und kostenkritische Designs
Die Verknüpfung von CO₂-Messwerten mit Lüftungsraten, Schlafparametern und kognitiven Leistungsindikatoren ermöglicht durch die Sensoren ein vorausschauendes Gesundheitsmanagement. Sinkt die Luftqualität, können Anwenderinnen und Anwender unmittelbar gewarnt werden und geeignete Gegenmaßnahmen einleiten. Intelligente Sensorik schafft somit die Grundlage für Innenräume, die sich aktiv an den Bedarf von Menschen anpassen und deren Gesundheit und Leistungsfähigkeit langfristig unterstützen.
Auswahl, Integration und Praxisaspekte
Die Auswahl eines geeigneten CO₂-Sensors hängt stark vom Anwendungsszenario ab. In der Gebäudeautomation stehen eine hohe Messgenauigkeit, Langzeitstabilität und die Erfüllung von Normen im Vordergrund, was für DCV-Anwendungen und zertifizierte Luftqualitätsgeräte entscheidend ist. Im Smart-Home- und Consumer-Bereich spielen hingegen kompakte Bauformen, eine geringe Leistungsaufnahme und eine einfache Integration in batteriebetriebene Systeme eine zentrale Rolle. Für Wearables und mobile Geräte sind zudem kurze Ansprechzeiten und ein niedriger Energiebedarf entscheidend. Entsprechend bietet das aktuelle Sensorportfolio für jedes Marktsegment passende Lösungen:
- SCD41: universelle Lösung für kompakte Geräte mit hohem Genauigkeitsanspruch
- SCD43: für Applikationen, die strenge Normen und Zertifizierungen erfüllen müssen
- STCC4: wenn geringster Footprint und niedrigster Stromverbrauch entscheidend sind
Die Genauigkeit und Langzeitstabilität der Messwerte hängen entscheidend von der Integration im Zielsystem ab. Empfohlen wird:
- Platzierung in einem sanft durchströmten Bereich mit definiertem Luftpfad
- Vermeidung von Temperatur-Hotspots (z. B. durch Netzteile oder Leistungselektronik)
- Nutzung der automatischen Baseline- und Drift-Kompensation (ASC) bei PA-NDIR-Sensoren
- Kombination mit Temperatur- und Feuchtesensoren für eine präzise Kompensation
- Regelmäßige Querprüfung der Messwerte im Feldbetrieb
Bei PA-NDIR-Sensoren (SCD41, SCD43) lassen sich durch kurze, periodische Messintervalle schnelle Regelkreise realisieren. Der Single-Shot-Betrieb eignet sich hingegen für stromsparende Telemetrie. TC-Sensoren wie der STCC4 profitieren dagegen von einer sorgfältigen Umgebungskompensation, um die Einflüsse anderer Gase oder Temperaturgradienten zu minimieren. So wird der CO₂-Wert zu einer robusten Führungsgröße für Lüftungsstrategien, sei es in zertifizierten Gebäuden oder in mobilen Anwendungen, die einen unmittelbaren Einfluss auf Gesundheit, Schlafqualität und kognitive Leistungsfähigkeit haben.
Fazit
Die CO₂-Sensorik ist ein technisches Werkzeug, das sich unmittelbar auf Gesundheit, Leistungsfähigkeit und Komfort auswirkt. Mit der SCD4x-Plattform stehen für die Gebäudeautomation präzise, normfähige Lösungen bereit. Der STCC4 ergänzt das Portfolio für mobile und ultrakompakte Anwendungen. Damit lässt sich eine bedarfsgerechte Lüftung von der Smart-Home- bis zur Wearable-Ebene realisieren.
Referenzen
[1] Sergio Garbarino et. al., 2021. Role of sleep deprivation in immune-related disease risk and outcomes
[2] Resmed’s 2025 Global Sleep Survey, 2025, Resmed
[3] ANSI/ASHRAE Standard 62.1, European Standard EN 13779, German norm DIN 1946-2 | Batog, P. et al. 2013. “Dynamic of Changes in Carbon Dioxide Concentration in Bedrooms”
[4] WELL V2. 2024. “Enhanced Ventilation Design“
[5] USGCB LEED V5. September 2023. “Rating System, Building Operations + Maintenance: Existing Buildings“
[6] RESET V2.0. 2018. “2.4. RESET Air Standard for Core & Shell“
[7] FITWEL V2.1 Standard. July 2021 “Reference Guide for the Fitwel Certification System“
[8] Peter Strøm-Tejsen et. al., 2014. The Effect of CO₂ Controlled Bedroom Ventilation on Sleep and Next-Day Performance
[9] Satish, U. et al., 2012. Is CO₂ an Indoor Pollutant? Direct Effects of Low-to-Moderate CO₂ Concentrations on Human Decision-Making Performance