EbeneTechniken-ThermKomfort
Aus IBPSA-Germany
Thermische Behaglichkeit (Komfortmodelle)
Beurteilung von Temperaturen bzw. des Raumklimas
Gemäß derzeitigem Kenntnisstand der Physiologen hängt das menschliche Empfinden von zu warm oder zu kalt (thermische Unbehaglichkeit oder thermischer Diskomfort) nicht nur von den im Raum vorherrschenden Temperaturen, sondern auch von weiteren Parametern des umgebenden Raumes (z.B. Luftgeschwindigkeit, Feuchte, etc.) wie auch von dem Menschen selbst (z.B. Aktivitätsgrad, Bekleidung, Gesundheitszustand, etc.) ab.
In diesem Zusammenhang werden die Einflussgrößen, die dem Raum zuzuordnen sind, als Raumklima oder Umgebungsklima bezeichnet. Bei den Einflussgrößen selbst wird unterschieden in die 6 Grundparameter, anhand derer z.B. der thermische Index (PMV/PPD) in gemäßigten Raumklimata ermittelt wird, und weitere, zusätzliche Parameter.
Eine vollständige Beschreibung bzw. Beurteilung der thermischen Behaglichkeit sollte daher alle relevanten Einflussgrößen abdecken. Hierzu stehen auch entsprechende Kenngrößen (thermischer Index des jeweiligen Klimabereichs) zur Verfügung. Allerdings exisitieren nach wie vor auch einfachere Kriterien zur Beurteilung der thermischen Behaglichkeit, welche gewisse Einflüsse vernachlässigen.
Andererseits hat die Forschung über das menschliche Empfinden von Raumklima in jüngerer Vergangenheit hochkomplexe Modelle hervorgebracht, die sich aus einzelnen Körperteilen zusammensetzen und darüber hinaus auch in der Lage sind, physiologische Vorgänge innerhalb des Körpers (z.B. Blutkreislauf) abzubilden.
Klimabereiche und korrelierender thermischer Index
Weltweit ist man mittlerweile übereingekommen, das Klima von Innenräumen in drei Bereiche einzuteilen (Umgebungsklimate nach DIN EN ISO 11399), welche alle auf einer Wärmebilanz des gesamten menschlichen Körpers basieren:
- kalt (die Wärmebilanz ist negativ, dem Körper wird zuviel Wärme entzogen): thermischer Index = IREQ-Index nach ISO/TR 11079 (Anforderungen an die Wärmeisolierung des Körpers)
- gemäßigt (die Wärmebilanz ist annähernd ausgeglichen): thermischer Index = PMV/PPD-Index nach DIN EN ISO 7730
- warm (die Wärmebilanz ist positiv, dem Körper wird zuviel Wärme zugeführt): thermischer Index = Wärmebeanspruchung nach DIN EN ISO 7933
Thermische Behaglichkeit - thermischer Komfort
Thermische Behaglichkeit bzw. thermischer Komfort wird grundsätzlich nur bei einer ausgeglichenen Wärmebilanz des Körpers erreicht, so dass ausschließlich thermisch neutrale Umgebungsklimate als Behaglichkeitsbereich definiert sind. Hinsichtlich der thermischen Behaglichkeit bw. dem thermischen Komfort ist dabei allerdings zu unterscheiden zwischen Kriterien, die sich auf den ganzen Körper beziehen (Wärmebilanz des Körpers), und Kriterien, die eher auf einzelne Körperteile einwirken (lokale Unbehaglichkeiten).
In der DIN EN ISO 7730 werden drei Qualitäten (Kategorie A/B/C) zur thermischen Behaglichkeit definiert, welche beide Arten von Behaglichkeitskriterien umfassen und wie folgt aufgefasst werden können:
- Kategorie A: gut...sehr gut ?
- Kategorie B: weniger gut...mittel ?
- Kategorie C: mäßig ?
Wärmebilanz des gesamten Körpers - PMV-/PPD-Index
Der korrelierende thermische Index im thermisch neutralen Klimabereich ist in dem "Predicted Mean Vote" (PMV) oder "Predicted Percentage Dissatisfied" (PPD) zu sehen, welcher auf Arbeiten von Fanger basiert und in der DIN EN ISO 7730 festgelegt ist.
In diesem Zusammenhang ist interessant, dass es auch bei einem optimalen Raumklima immer Menschen gibt, die dieses Raumklima beklagen. Diese Menschen weisen ein von der Mehrheit abweichendes Temperaturempfinden auf, worin sich die Individualität der Menschen wiederspiegelt.
Der PMV-/PPD-Index selbst hängt von den 6 Grundparametern ab, von denen sich 4 auf den Raum und 2 auf die in dem Raum anwesenden Personen beziehen:
Einflussparameter des Raumes:
- Lufttemperatur
- Strahlungstemperatur
- Luftfeuchte
- Luftgeschwindigkeit
Personenbezogene Einflussparameter:
- Körpereigene Wärmeproduktion als Funktion des Aktivitätsgrades
- Isolationswert der Bekleidung
Neben den 6 Grundparametern wird das thermische Empfinden des Menschen auch noch weiteren Größen beeinflusst (z.B. Wärmeregulation des Körpers, Akklimatisierung, Gesundheitszustand, etc.).
Die Erfahrung zeigt, dass der PMV-/PPD-Index häufig von der Luft- und Strahlungstemperatur dominiert wird. Der Einfluss dieser beiden Temperaturen wird daher oftmals in Form der operativen Temperatur (oder auch empfundenen Temperatur, Raumtemperatur) zusammengefasst. Diese umfasst somit sowohl den konvektiven Wärmeaustausch des Körpers mit der umgebenden Raumluft wie auch den Wärmeaustausch des Körpers via thermischer Strahlung mit den raumumschließenden Bauteiloberflächen.
Gerade dem Strahlungsaustausch kann in Gebäuden mit großen Glasflächen eine dominierende Rolle hinsichtlich der thermichen Behaglichkeit zukommen: Im Sommer wärmen sich die Glasscheiben durch Absorption der Solarstrahlung auf und strahlen quasi als "Heizstrahler" in den Raum hinein; im Winter kühlen die Glasscheiben stärker ab als die Wände und erzeugen so eine "Kaltstrahlung", die - trotz erwärmter Raumluft - durchaus als unbehaglich empfunden werden kann.
Lokale Unbehaglichkeiten - DR- und PD-Index
Allerdings hat sich gezeigt, dass thermischer Diskomfort nicht nur bei einem unausgeglichenem Wärmehaushalt des Körpers, sondern auch bei spezifischen, lokalen Phänomenen von den Menschen beklagt wird. Vor diesem Hintergrund wurden in der DIN EN ISO 7730 zusätzliche Kriterien der lokalen Unbehaglichkeit definiert:
Zugerscheinungen, Zugluft / DR-Index
Vertikaler Lufttemperaturunterschied
Strahlungstemperaturasymmetrie
Zu kalter oder zu warmer Fußboden
Unterschiede zwischen gekühlten Räumen und Räumen ohne Kühlung
Jüngste Ergebnisse umfangreicher Befragungen von Büronutzern in den Vereinigten Staaten von Amerika (ASHRAE-Standard 55), Dänemark und auch in der Bundesrepublik Deutschland (ProKlimA-Studie) zeigen auf, dass die Beurteilung der thermischen Behaglichkeit im Sommer davon abhängt, ob eine Raumkühlung vorhanden ist oder nicht !
Die übereinstimmenden Ergebnisse dieser Befragungen für Räume mit bzw. ohne Kühlung lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Räume mit einer Kühlanlage (aktive Kühlung)
Wenn die Räume über eine Kühlung mittels Anlagentechnik (z.B. Lüftungsanlage mit vorgekühlter Zuluft, Umluftkühler, Fancoils, Kühldecken, etc.) verfügen, stimmen die von der ISO 7730 (Fanger) prognostizierten Beurteilungen der Nutzer mit den Befragungsergebnissen recht gut überein.
Räume ohne aktive Kühlung
Falls die Räume jedoch ohne aktives Kühlsystem betrieben werden - wie das in Deutschland sehr häufig für Bürogebäude zutrifft - zeigt sich eine erhebliche Diskrepanz zwischen der ISO 7730 und den Ergebnissen der umfangreichen Befragungen.
Damit wird evident, dass die ISO 7730 (Fangermodell) sinnvoll nur für gekühlte Räume anzuwenden ist !
Diese äußerst interessante Erkenntnis hat sich mittlerweile auch in den jüngsten Regelwerken zur Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) der Europäischen Union niedergeschlagen. Im Rahmen eines EU-Mandats hat CEN ein neues Regelwerk hervorgebracht, welches für Räume ohne Kühlung durchaus auch höhere operative Temperaturen zulässt ...
Für Räume mit einem passiven Klimakonzept (d.h. ohne mechanische Lüftung und Kühlung) empfiehlt die DIN EN 15251 eine maximale operative Temperatur im Sommer, die von der mittleren Außenlufttemperatur der vorangegangenen Tage abhängt. Die thermische Behaglichkeit wird in der DIN EN 15251 in die Kategorien I, II und III eingeteilt. Für eine längere Schönwetterperiode mit hohen Außenlufttemperaturen über eine längere Zeit (wie z.B. im Sommer 2003 oder im Juni/Juli 2006) bedeutet dies, dass die operative Temperatur in den frei gelüfteten Räumen (bei einer maximalen Außenlufttemperatur von 32°C) durchaus bis auf 29...31°C - je nach Kategorie - ansteigen darf, ohne als unbehaglich empfunden zu werden.
Die historische Bedeutung dieses neuen Regelwerkes (DIN EN 15251) ist darin zu sehen, dass damit in Deutschland zum ersten mal ein Regelwerk vorliegt , welches für frei gelüftete Räume ohne Kühlung und mechanische Lüftung Grenzwerte für Innentempertauren angibt.
Einfache Beurteilungskriterien der thermischen Behaglichkeit
Für die meisten Bauvorhaben ist der Behaglichkeitsbereich bzw. der Bereich des thermischen Komforts der maßgebliche Klimabereich. Allerdings zeigt die Erfahrung, dass sich zur Beurteilung des thermischen Komforts der - noch verhältnismäßig junge - adequate thermische Index (PMV- bzw. PPD-Index) noch nicht im Bauwesen durchgesetzt hat. Häufig - auch in offiziellen Regelwerken und Richtlinien - wird auf einfachere Bewertungsgrößen zurückgegriffen .
Mittlere Lufttemperatur
Bei der Beurteilung des thermischen Komforts auf Basis der Lufttemperatur wird meist die über den gesamten Raum gemittelte Lufttemperatur herangezogen. Dabei wird die in der Realität immer vorhandene Verteilung der Lufttemperatur innerhalb eines Raum durch eine einheitliche Lufttemperatur im gesamten Raum idealisiert.
Der wesentliche Nachteil dieser vereinfachten Beurteilung des thermischen Komforts anhand der mittleren Lufttemperatur im Raum ist darin zu sehen, dass die Auswirkungen der Oberflächentemperaturen via thermischer Strahlung auf den menschlichen Körper nicht berücksichtigt werden.
Dies führt in der Praxis immer dann zu Problemen, wenn einzelne raumseitige Oberflächentemperaturen erheblich von der mittleren Raumlufttemperatur abweichen, z.B. bei kühlen Glasoberflächen im Winter, bei einem heißen Innensonnenschutz oder einem stark erwärmten Glasdach im Sommer, o.ä.
Aufgrund dieser in der Fachwelt durchaus bekannten Schwächen wurden in den letzten Jahren die meisten Regelwerke und Richtlinien auf die operative Temperatur umgestellt, welche die thermische Strahlung berücksichtigt. Dennoch existieren in Deutschland immer noch gültige Regelwerke, welche dem thermischen Komfort ausschließlich eine mittlere Lufttemperatur zugrunde legen, z.B.
- VDI 2078 (1996): Die auf einer simplen, stationären Energiebilanz des Raumes basierende Kühllastberechnung und somit die Dimensionierung der Kühlung über eine Lüftungsanlage verwendet ausschließlich eine Auslegungslufttemperatur (in der Regel 26°C).
- Arbeitsstättenrichtlinie ASR 6 (Mai 2001): Die ASR fordert für thermisch behagliche Arbeitsstätten (Originalzitat aus ASR 6, Kapitel 3, Abschnitt 3.3): "Die Lufttemperaturen in Arbeitsräumen soll +26°C nicht überschreiten. Bei darüber liegender Außentemperatur darf in Ausnahmefällen die Lufttemperatur höher sein.“
Im Sinne einer besseren Beurteilung von thermischer Behaglichkeit bzw. thermischem Komfort empfiehlt sich eine Weiterentwicklung auch dieser beiden Regelwerke, damit - in Analogie zu vielen anderen Regelwerken - zumindest die operative Temperatur als Grundlage für eine Empfehlung oder Bewertung (noch besser: thermicher Index PMV oder PPD) herangezogen wird.
Derzeit befindet sich zumindest die VDI2078 in Überarbeitung.
Mittlere Luft- und mittlere Strahlungstemperatur: Operative Temperatur
Die operative Temperatur setzt sich zusammen aus der mittleren Lufttemperatur (räumliche Mittelung der Lufttemperatur, siehe oben) und der mittleren Strahlungstemperatur (siehe unten).
Streng genommen stellt sich dabei die mittlere Strahlungstemperatur abhängig von der Position innerhalb eines Raumes dar (was durch sogenannte Einstrahlzahlen bzw. view-factors - eine rein geometrische Funktion - abgebildet werden kann). So nimmt die mittlere Strahlungstemperatur direkt neben einer großen warmen Glasscheibe deutlich höhere Werte an als an einem Standort in Raumtiefe. Der "sichtbare Raumanteil" direkt neben der Glasfassade ist wesentlich höher als am Standort in Raumtiefe.
Die simulationstechnische Abbildung derartiger Effekte erfordert ein detailliertes, geometrisches Raummodell, für das die entsprechenden Einstrahlzahlen - für den interessierenden Standort im Raum - ermittelt werden müssen.
Dieser Einfluss wird jedoch oft vernachlässigt, indem die mittlere Strahlungstemperatur vereinfachend anhand des jeweiligen Flächenanteils des Bauteils an der gesamten Raumoberfläche modelliert wird.
Detailliertere Modelle zur Beurteilung der thermischen Behaglichkeit
- Was gibt es da für Modelle ? Modell von Fialla .... ?
- Wie wird damit die thermische Behaglichkeit beurteilt ?
- Was ist diesbezüglich der Stand der Forschung ?
