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Die objektive Messung thermischer Behaglichkeit

Viele Faktoren nehmen Einfluss darauf, ob wir uns in einem Raum wohl fühlen. Wie man das erreicht, weiß Dr. Thorsten Wolterink, Leiter des FEC bei Kampmann.

Wie viele andere Dinge gehört auch die Behaglichkeit zu den rein subjektiven Empfindungen des Menschen. Lautstärke, Temperatur, Luftfeuchte, Helligkeit – aber auch das soziale Umfeld, die Möblierung der Aufenthaltsräume und das persönliche Befinden haben Einfluss darauf, ob wir uns wohlfühlen. Ein wichtiger Aspekt ist hierbei die thermische Behaglichkeit. Doch wie definiert man etwas so schwer fassbares? Und wie lässt sich thermische Behaglichkeit herstellen?

Thermische Behaglichkeit bedeutet, vereinfacht ausgedrückt, dass die im Körper produzierte Wärme auch abgegeben wird und es daher nicht zu einer Überhitzung oder Auskühlung kommt. Nun ist der menschliche Körper in der Lage, Wärme im Bereich zwischen 80 W (Grundlast beim Ruhen) und etwa 800 W bei schwerster körperlicher Anstrengung zu erzeugen. Somit lohnt sich ein Blick auf die Mechanismen, die für die Wärmeabgabe zur Verfügung stehen, und auf die weiteren Einflussfaktoren, die dabei hinderlich oder begünstigend wirken.

Im menschlichen Körper erfolgt der Wärmetransport rein konvektiv durch das Blut. Die Abgabe an die Umgebung erfolgt primär über die Haut, aber auch als Atmung über die Lunge. Während bei der Atmung die Wärmeabgabe nur latent und sensibel stattfindet, gibt es über die Haut zusätzlich einen großen Strahlungsanteil und einen kleinen direkten Wärmetransport, zum Beispiel über die Fußsohlen. Auf diese drei wesentlichen Abgabeprozesse (Konvektion, Verdunstung und Strahlung) wirken verschiedene Einflussfaktoren. Zum ersten ist dies die Wärmeproduktion als direkte Folge der jeweiligen Betätigung. Als weitere (menschliche) Einflussgröße findet sich die isolierende Bekleidung mit direktem Einfluss auf alle drei Wege der Wärmeabgabe. Von Seiten der Umgebung haben die Lufttemperatur und -bewegung direkte Auswirkung auf die konvektive Wärmeabgabe und die Luftfeuchtigkeit auf die latente Abgabe durch Verdunstung. Die Abgabe in Form von Strahlung dagegen, ist eine Differenz der ausgesandten zur eingehenden Strahlung und hängt somit von der Oberflächentemperatur der umschließenden Flächen ab. Bereits 1970 hat Ole P. Fanger in seiner Doktorarbeit an Dänemarks Technischer Universität (DTU) umfangreiche Studien zu diesem Themenkomplex vorgestellt und die eben genannten sechs Einflussgrößen als die wesentlichen identifiziert.
OLE P. FANGER war ein dänischer Ingenieur, dessen Dissertation über die thermische Behaglichkeit zu den wichtigsten Werken in diesem Bereich gehört.

DIE STUDIEN DES OLE P. FANGER

Ole P. Fanger

OLE P. FANGER
war ein dänischer Ingenieur, dessen Dissertation über die thermische Behaglichkeit zu den wichtigsten Werken in diesem Bereich gehört.

Fanger hatte in seinen Laboren reguläre Arbeitsplätze aufgebaut, an denen seine Probanden ihren normalen Tätigkeiten in variierender Bekleidung nachgingen. Fanger konnte jegliche raumklimatischen Parameter einstellen. Die Probanden mussten nun in regelmäßigen Abständen ihr thermisches Befinden auf einer siebenstelligen Skala von – 3 (kalt) bis + 3 (heiß) beurteilen. Für jede Kombination der obigen Einflussgrößen (Aktivität, Bekleidung, Lufttemperatur, Luftfeuchte, Luftgeschwindigkeit, Temperatur der Umschließungsflächen) erhielt er dadurch ein „mittleres Votum“ der Probanden. Es gelang ihm, dafür eine mathematische Formel abzuleiten: die Fanger-Gleichung. Diese verknüpft die sechs relevanten Parameter mit dem „mittleren Votum“. Für die klimatische Auslegung von Räumen dreht man dieses Verfahren einfach um: Man kennt die geplante Nutzung der Räume und kann die Bekleidung der Nutzer einschätzen. Zusammen mit den Umgebungsparametern lässt sich daraus ein „vorhergesagtes mittleres Votum“ (englisch: Predicted Mean Vote – PMV) ermitteln. Das Votum der Probanden hat Fanger nun klassifiziert und definiert, dass Personen zufrieden sind, wenn ihr Votum –1 oder +1 lautete. Alle anderen waren somit unzufrieden. Hierbei fand er einen direkten Zusammenhang zwischen dem „Prozentsatz an Unzufriedenen“ und dem „mittleren Votum“. Dreht man auch hier das Verfahren wieder um, erhält man aus den sechs Einflussgrößen das „vorhergesagte mittlere Votum“ (PMV) und daraus dann den „vorhergesagten Prozentsatz an Unzufriedenen“ (englisch: Predicted Percentage of Dissatisfied – PPD) der DIN EN ISO 7730. Schaut man sich die Norm etwas genauer an, so wird ersichtlich, dass selbst im Fall optimaler Raumbedingungen immer noch 5 % aller Personen unzufrieden sind – mit anderen Worten: Ihnen ist es zu kalt oder zu warm. Durch die DIN EN ISO 7730 werden Räume unter anderem durch den zulässigen PPD-Index in drei Kategorien eingeteilt. Die höchsten Anforderungen der Kategorie A gelten für Räume, die von empfindlichen Personen (Kleinkinder, Kranke, usw.) genutzt werden. Für normale Büros gilt die Kategorie B, während Kategorie C in erster Linie für Bestandsgebäude gelten sollte.

LOKALE BEHAGLICHKEITSKRITERIEN

Thermostat mit Temperaturdifferenzen

Neben dem globalen, dem gesamten Wärmehaushalt des Menschen betreffenden Behaglichkeitskriterium führte Fanger noch vier weitere einzelne Körperregionen betreffende Kriterien ein. Dies ist zum einen die Zugluftrate (engl.: Draught Rate – DR) für unbekleidete Körperflächen – sie hängt von der Lufttemperatur, der Luftgeschwindigkeit und dem Turbulenzgrad ab. Hier gilt es zu beachten, der nationale Anhang (NA) der DIN EN 15251 verschärft die in der DIN EN ISO 7730 genannte Zugluftrate DR = 20 % für Räume der Kategorie B. Ein weiteres lokales Behaglichkeitskriterium ist die Temperaturdifferenz der Luft in Kopf-und Fußhöhe. Je nach Raumkategorie (A, B, C) sind hier 2 °C, 3 °C oder 4 °C zulässig. Das dritte Kriterium stellt die Fußbodentemperatur dar, wobei sie nur für beschuhte Füße angewendet werden kann. Für die Kategorien A und B beträgt der erlaubte Temperaturbereich rund 19 °C bis 28 °C. Für Kategorie C geht er in beide Richtungen etwa 2 °C weiter. Das vierte und letzte lokale Behaglichkeitskriterium stellt die asymmetrische Strahlungsverteilung dar. Hierbei ist zu unterscheiden zwischen Decke und Wänden einerseits und warm und kalt andererseits. Somit handelt es sich de facto um vier Unterkriterien, die je nach Raumkategorie unterschiedlich einzuhalten sind.

BEHAGLICHKEIT MESSEN

Tabelle der DIN EN ISO 7730

Die Behaglichkeit im Raum lässt sich heute mittels modernster Messtechnik nach DIN EN ISO 7730 bestimmen. Damit raumlufttechnische Anlagen die Behaglichkeit nicht negativ beeinflussen, wird bei Kampmann intensiv geforscht und entwickelt. Kampmanns Geräte haben im Allgemeinen kaum Auswirkungen auf Strahlungsasymmetrien oder die Fußbodentemperatur, sodass nur der PPD-Index, der vertikale Temperaturunterschied (Δϑ) und die Zugluftrate (DR) von Bedeutung sind. Beim PPDIndex bedeutet es, dass das Gerät in der Lage sein muss, Wärme- oder Kältelasten, die bei der Auslegung herangezogen werden, zu neutralisieren, also die Raumtemperatur zu halten, ohne dass es dabei zu Zugerscheinungen oder zu großen Temperaturschichtungen im Aufenthaltsbereich kommt. Während das Heizen im Normalfall diesbezüglich unkritisch ist, stellt das Kühlen mit Unterflurgeräten oftmals eine besondere Herausforderung dar. Da die gekühlte Luft auf Grund von Zugerscheinungen nicht direkt in den Aufenthaltsbereich ausgeblasen werden kann, gilt es, sie entlang der Fassade möglichst hoch zu leiten, damit sie sich beim Herabfallen mit der restlichen Raumluft gut vermischt und danach langsam über den Boden in den Raum quillt. Leider führt dies dazu, dass ein Teil der gekühlten Luft wieder vom Gerät angesaugt wird, man spricht in diesem Zusammenhang von „Kurzschluss“. Je nach Ventilatorstufe und Wassertemperatur kann der Anteil 40 % und darüber hinaus betragen, was dann zu erheblichen Leistungseinbußen führt. Im Kampmanns Forschung und Entwicklung Center (FEC) werden neben den üblichen Gerätekenngrößen parallel die Zugluftrate und Temperaturschichtung gemessen. Alle Geräte von Kampmann werden nicht nur auf Leistung, sondern auch auf Behaglichkeit optimiert. Gerade bei besonderen Kundenanforderungen in Bezug auf Möblierung, Raumgeometrien oder Auslegungsbedingungen bietet das FEC durch sein Raumluftströmungslabor die Möglichkeit, jedes Gerät optimal auf die jeweilige Nutzung abzustimmen.