Präsenzerkennung: Welche Sensoren liefern die besten Ergebnisse?

Damit bedarfsgerecht und raumindividuell geheizt werden kann, besitzen intelligente Heizkörperthermostate Präsenzerkennungssensoren. Diese übermitteln Echtzeitdaten zur Wahrscheinlichkeit, dass Personen in einem Raum anwesend sind und folglich geheizt werden muss. Im folgenden Beitrag werden die wichtigsten Arten von Anwesenheitssensoren mit ihren Vor- und Nachteilen erläutert.
1. Welche Präsenzerkennungssensoren gibt es?

2. Welcher Sensor erkennt die Raumnutzung am besten?

3. Sonderfall: CO2-Sensoren

4. Warum sind Sensoren überhaupt notwendig?

5. Ist die Privatsphäre trotz Präsenzerkennungssensoren geschützt?

6. Kostenlose Beratung und Einsparanalyse

 

Welche Präsenzerkennungssensoren gibt es?

Grundsätzlich lassen sich vier Sensorarten unterscheiden. Der Bekannteste ist sicherlich – auch aus dem Hausgebrauch – der Bewegungsmelder. In der Fachsprache wird dieser PIR („Passiv Infrarot“)-Melder genannt. Ein PIR-Melder erkennt Bewegungen über Temperaturunterschiede. Dazu erfasst er die Energie anderer Objekte. Im Gegensatz zu einem aktiven Bewegungsmelder, der mithilfe von elektromagnetischen Wellen oder Ultraschall die Umgebung scannt, um Veränderungen zu erkennen, gibt ein PIR-Sensor also keine eigene Energie ab. Bei der Installation ist darauf zu achten, dass dieser Sensor nicht verdeckt wird, damit er gut arbeiten kann. Je nach Nutzung des Gebäudes sollten zudem Einstellungen vorgenommen werden, sodass Messungen außerhalb eines festgelegten Zeitfensters keine Handlung im Heizkörper auslösen. Das ist notwendig, damit der PIR-Melder Bewegungen beispielsweise des nächtlichen Sicherheitsdienstes nicht als Raumnutzung interpretiert.

Lichtsensoren erkennen Helligkeit und Dunkelheit mit all ihren Abstufungen. Wird ein individuell festgelegter Lichtwert über- oder unterschritten, sendet der Sensor einen Wert an einen Algorithmus, der daraus die Anwesenheits- bzw. Abwesenheitswahrscheinlichkeit berechnet. Diese Lichtwerte sind in der Regel tageszeitabhängig. Auch zwischen natürlichem und elektrischem Licht kann der Sensor unterscheiden.

Schallpegelsensoren messen die Lautstärke. Ähnlich wie beim Licht errechnet der Algorithmus bei Überschreitung eines festgelegten Schallpegels oder durch Frequenzanalysen, ob sich Menschen im Raum befinden. Aus datenschutzrechtlichen Gründen werden dabei in der Regel keine Audioaufnahmen erfasst, sondern lediglich Schallwellen gemessen. Auch bei dieser Sensorart empfehlen sich Einstellungen, durch die Messungen außerhalb der Kernarbeitszeiten, in denen beispielsweise laute Reinigungsarbeiten in Büros stattfinden, nicht in die Präsenzanalyse einfließen. Dies hilft, ein präzises Nutzungsprofil der Räume zu erstellen und Einsparungen zu optimieren.

CO2-Sensoren messen den Kohlenstoffdioxidgehalt im Raum. Dazu wird in der Regel Infrarot-Strahlung in eine Messkammer mit Raumluft geleitet. Der sich darin befindliche Filter ist so konzipiert, dass er nur Strahlung mit der Wellenlänge von CO2 durchlässt. Ein Sensor, der hinten diesem Filter liegt, misst anschließend die Menge der durchdrungenen CO2-Strahlung. Angegeben wird der Wert in parts per million (PPM), also Anteil pro Million. Für die Präsenzerkennung bedeutet das: Befindet sich eine Person in einem Raum, erhöht sich durch ihre Atmung der CO2-Gehalt. Betreten mehrere Personen einen Raum, steigt der CO2-Gehalt umso schneller. Je größer allerdings der Raum bzw. je besser die Belüftung durch Fenster und Türen, desto länger dauert es, bis die CO2-Konzentration das Level erreicht hat, das zu einer Reaktion im Heizkörper führt.

Neben den genannten gibt es weitere Sensoren, die beispielsweise auf Basis von Raumtemperatur, relativer Luftfeuchte oder Aktivitäten am Thermostat auf Anwesenheit schließen. Dabei handelt es sich jedoch um eine weniger häufig verbreitete Präsenzerkennungsmethode.

 

Welcher Sensor erkennt die Raumnutzung am besten?

Die kurze Antwort vorweg: Es gibt nicht den EINEN Präsenzerkennungssensor, auf den man vertrauen kann. Denn jeder Sensor für sich allein weist Lücken auf: Der Bewegungsmelder nimmt zwar wahr, wenn sich Menschen um ihn herum bewegen – ob sie nur einen Zettel ins Nachbarbüro legen oder für einige Zeit Platz nehmen, weiß er jedoch nicht. Ein Lichtsensor kann zwar sagen, wenn eine Lampe eingeschaltet wurde – ob die Person danach den Raum verlassen hat, weiß er jedoch nicht. Ein Schallsensor misst nur, ob es Geräusche im Raum gibt ­– ob sie von einem Menschen oder einem Drucker stammen, weiß er nicht. Ein CO2-Sensor misst die Kohlenstoffdioxid-Konzentration – ob die Menschen den Raum nach einer Besprechung jedoch längst wieder verlassen haben und nur nicht für ausreichend Frischluft gesorgt wurde, weiß er jedoch nicht.

Zuverlässige Ergebnisse lassen sich daher derzeit nur durch eine Kombination unterschiedlicher „Sinne“ erzielen. Für ein intelligentes Wärmemanagement besteht der Marktstandard aktuell aus einem kombinierten PIR-, Licht- und Schallsensor. Diese tasten einen Raum im Minutentakt ab und liefern über Bewegung, Lichtaktivität und Geräuschpegel schnelle und zuverlässige Daten, aus denen ein Algorithmus die Wahrscheinlichkeit für An- und Abwesenheit berechnet. Zusatzinformationen, die ein CO2-Sensor ermittelt, sind in diesem Fall nicht mehr nötig, um eine Präsenzwahrscheinlichkeit errechnen zu können.

 

Sonderfall: CO2-Sensoren

Während Bewegungs- oder Geräuschmelder aus dem Privatgebrauch (z. B. Gartenbeleuchtung, Alarmanalagen und Babyfon) bekannt sind, ist die CO2-Sensorik nicht in der Anwesenheitserkennung beheimatet und daher nur eingeschränkt geeignet. Errechnete Werte liefern zwar Aussagen über die Raumluftqualität, weisen bezüglich der Berechnung von An- bzw. Abwesenheitswahrscheinlichkeiten aber Schwächen auf.

Wie oben beschrieben, errechnet der Sensor die Kohlenstoffdioxid-Konzentration in einem Raum – je höher die Konzentration, desto höher die Wahrscheinlichkeit, dass Menschen anwesend sind. Da sich bei Betreten eines Raumes die CO2-Konzentration aber nur schrittweise langsam erhöht, kann es bis zu 20 Minuten dauern, bis ein CO2-Sensor Präsenz signalisiert (vgl. Dong, Lam (2014): A real-time model predictive control for building heating and cooling systems based on the occupancy behavior pattern detection and local weather forecasting). Gleiches gilt auch für das Absinken der Konzentration, die in der Regel hauptsächlich durch Frischluftzufuhr geschieht. Wenn die Person(en) den Raum verlassen, dauert es somit einige Zeit, bis das Signal zum Absenken der Raumtemperatur ausgelöst wird. Die anderen oben genannten Sensoren liefern bezüglich ihrer Geschwindigkeit in der Präsenz- und Abwesenheitserkennung deutlich bessere Ergebnisse.

Zudem ist die Positionierung des CO2-Sensors im Raum entscheidend für seine Aussagefähigkeit (vgl. Gen Pei et al. (2019): Effect of sensor position on the performance of CO2-based demand controlled ventilation). Erstens, weil Frischluft- und weitere CO2-Quellen direkten Einfluss nehmen. Wird nach Betreten des Raumes beispielsweise gelüftet oder die Tür bleibt geöffnet, verlängert sich die Dauer bis zum Überschreiten des festgelegten CO2-Wertes (vgl. Calì et al. (2015): „CO 2 based occupancy detection algorithm: Experimental analysis and validation for office and residential buildings”). Andersherum können CO2-Quellen in der Nähe des Sensors fälschlicherweise Anwesenheit signalisieren, denn nicht nur Menschen und Tiere stoßen CO2 aus, sondern auch reifendes Obst und Gemüse, zerfallende tote Organismen zum Beispiel in alten Pflanzentöpfen oder Kerzen. Zweitens ist die Positionierung wichtig, weil der CO2-Sensor nur dort messen kann, wo seine integrierte Messkammer angebracht ist. Eine unzureichende Luftzirkulation im Raum, beispielsweise in Ecken oder durch eine ungünstige Einbausituation unter einem Tisch, kann demnach Ergebnisse verfälschen. In der Studie von Yun und Licing (2023) „Optimal sensor placement for personal inhalation exposure detection in static and dynamic office environments” wird daher bei sitzenden Tätigkeiten, etwa im Büro, eine Wand- oder Tischoberflächenbefestigung als optimal beschrieben.

Das alles erschwert die Messung in großen Büros, Veranstaltungsräumen oder verwinkelten Zimmern. Denn in kleinen Räumen mit vielen Personen steigt der CO2-Gehalt im Verhältnis anders als in einem halbgefüllten Großraumbüro, wo es naturgemäß länger dauert, bis die vorhandene Luft eine kritische CO2-Konzentration aufweist.

Der Einfluss der Raumarchitektur und Positionierung führt folglich zu einer begrenzten Anwendbarkeit von CO2-Sensoren im Bereich Anwesenheitserkennung.

 

Warum sind Sensoren überhaupt notwendig?

Präsenzerkennungssensoren sind ein Hilfsmittel, um das Heizen zu automatisieren. Im Gegensatz zu Smart-Home-Anwendungen, die in der Regel per App selbst programmiert werden können, arbeiten die Sensoren selbstständig. Das ist vor allem in Nichtwohngebäuden sinnvoll, in denen die Nutzenden nicht selbst die Heizkosten tragen und beim Verlassen von Räumen häufig vergessen, ihren Heizkörper selbst herunterzudrehen. Daher registrieren Sensoren Indizien für Anwesenheit und übertragen ihre gesammelten Echtzeitdaten an einen Algorithmus, der eine Anwesenheitswahrscheinlichkeit errechnet. Bei Überschreitung eines Wertes wird eine gewünschte Aktion – in diesem Fall das Heraufsetzen oder Herabsenken der Raumtemperatur – veranlasst. So ist es nicht mehr nötig, die Heizkörper manuell herunter zu drehen. Mit einer Kalenderfunktion, in die beispielsweise Homeoffice-Tage, Urlaube, Ferien oder Kernarbeitszeiten eingetragen werden, kann der Algorithmus zusätzlich unterstützt werden, indem er Messungen aus diesen Zeiträumen ignoriert und die leeren Räume so nicht beheizt werden.

Andere Sensorarten und Mechanismen unterstützen nicht direkt bei der Präsenzerkennung, tragen aber zu einem effizienteren Heizen bei. Ein Luftfeuchtigkeitssensor zum Beispiel erkennt, ob Fenster im Raum geöffnet sind. In dem Fall wird ein Signal an die Heizkörperthermostate geschickt, damit sie sich automatisch herunterregeln. Durch eine Verknüpfung mit örtlichen Wetterdaten berechnen Algorithmen zudem den Energiebedarf, um einen Raum auf die eingestellte Wunschtemperatur zu heizen. So startet die Heizung am Morgen rechtzeitig, bevor die erste Person das Gebäude betritt, ohne durch lange Vorlaufzeiten Heizenergie zu verschwenden.

 

Ist die Privatsphäre trotz Präsenzerkennungssensoren geschützt?

Zwar können – auf verschiedene Weise und in unterschiedlicher Güte – alle oben beschriebenen Sensorarten feststellen, ob sich Personen in einem Raum befinden. Sie erkennen aber nicht, welche Personen das sind, über was sie sprechen oder was sie tun. In diesem Punkt unterscheiden sich die vier oben beschriebenen Sensoren nicht.

Dennoch arbeiten Anwesenheitserkennungssensoren mit personenbezogen Daten. Deren Erhebung, Verarbeitung und Speicherung ist in Deutschland durch die Datenschutzgrundverordnung (DSGVO) und das Bundesdatenschutzgesetz (BDSG) klar geregelt. Bei Anbietern für bzw. mit Präsenzerkennungssystemen ist demnach darauf zu achten, dass ihre Methoden innerhalb dieser Gesetze liegen. Ein sicheres Zeichen, dass alle geltenden Richtlinien eingehalten werden, ist das TÜV-Siegel. Zudem sollten Daten ausschließlich auf deutschen Servern verwaltet werden, damit Informationen nicht an Nicht-EU-Staaten weitergeleitet werden und Sicherheitsrisiken zu minimieren.

Grundsätzlich sollten Präsenzerkennungssensoren nach dem Prinzip „Privacy by Design“ entworfen worden sein. Das bedeutet, dass der Datenschutz bei der Entwicklung von Produkt und Funktionen an erste Stelle gesetzt wird. So werden die im Raum gesammelten Daten bereits im Sensor zu einem Code umgewandelt und per Ende-zu-Ende-Verschlüsselung an den Algorithmus gesendet. Somit verlassen die realen Werte des Raumes das Gebäude nicht, sondern nur eine komprimierte Version von ihnen.

 

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