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Gewährleistung der thermischen Behaglichkeit
Die Funktion des menschlichen Organismus ist nur in einem engen Temperaturbereich gewährleistet. Um diesen sicherzustellen, steuert eine Thermoregulation den Wärmehaushalt, also die Wärmeproduktion durch Muskelarbeit, die Wärmeverteilung im Körper über die Durchblutung der Organe und den Wärmeaustausch mit der Umgebung. Der Wärmeaustausch mit der Umgebung erfolgt über die Atmung und die Hautoberfläche (Konvektion, Strahlung, Feuchtediffusion mit Hauttrocknung). Die Wärmeabgabe über die Hautoberfläche kann durch Schweißsekretion (mit Verdampfen des Schweißes wird Wärme umgesetzt) verstärkt werden. Bei Umgebungstemperaturen nahe der Körpertemperatur oder darüber erfolgt die Wärmeabgabe praktisch nur noch über die Verdunstungswärme. Bei zu tiefen Umgebungstemperaturen priorisiert die Thermoregulation die Wärmeversorgung über die Versorgung lebenswichtiger Organe und kann Muskeln zur Wärmeerzeugung anregen (Muskelanspannung, Kältezittern). Maßnahmen gegen Auskühlen und Überhitzen des Körpers können für die daran beteiligten Organe eine Belastung darstellen.
Die thermische Umgebung kann der Mensch über seine Thermorezeptoren auch bewusst wahrnnehmen. Dabei sind die in der Haut und in den Schleimhäuten als Kälte- (Empfindlichkeitsbereich 5-43°C), Wärme- (Empfindlichkeitsbereich 30-48°C) und Hitzesensoren (Alarm ab ca. 45°C) spezialisierten neuronalen Rezeptoren vor allem zur Erfassung der Umgebungstemperatur zuständig. Die in der Überzahl vorhandenen Kältesensoren sind näher an der Oberfläche angeordnet als die Wärmesensoren und reagieren bedeutend schneller. Es ist auch so, dass Menschen auf zu kühl empfindlicher reagieren als auf zu warm.
Die thermische Behaglichkeit (globale Wärmeenergiebilanz) wird aber nicht nur über die Raumlufttemperatur definiert. Auch die Feuchtigkeit in der Luft (Verdunstungswärme), die Geschwindigkeit der Luftbewegung (Zugluft) und die Strahlung, welche die Haut erwärmt, bestimmen nebst Bekleidung und Tätigkeit der Nutzer deren thermisches Wohlbefinden. Da der Wärmehaushalt und somit auch das Wärmeempfinden von Personen individuell sind, ist eine thermische Umgebung, bei der 100% aller Menschen restlos zufrieden sind, nicht erreichbar.
Behagliche Temperaturanforderungen und Luftgeschwindigkeiten
Temperaturunterschiede, seien das Lufttemperaturen zwischen dem Fuß- und Kopfbereich oder Asymmetrien der Temperaturen der Oberflächen, die den Raum umschließen, aber auch Luftbewegungen im Raum, beeinflussen das Wärmeempfinden des Menschen. Leider werden diese Komponenten selten bei der Bauplanung gebührend berücksichtigt. Zur Abschätzung dieser für die Behaglichkeit relevanten Parameter ist fundiertes Wissen in der Bauphysik und der HLK- Planung notwendig. Als Hilfsmittel werden am Markt einschlägige Simulationsprogramme angeboten. Die Oberflächentemperaturen von Außenwänden sind entscheidend von der Wärmedämmung, der Erwärmung durch Strahlung wie auch von der Temperatur und Geschwindigkeit der vorbeiströmenden Luft abhängig.
Die Luftbewegung steht in Abhängigkeit von thermischen Asymmetrien, die durch Heiz- (jede Oberfläche, die wärmer als die Raumluft ist, ist eine Heizfläche, also auch der Mensch) und Kühlflächen (jede Oberfläche, die kühler als die Raumluft ist, ist eine Kühlfläche), aber auch die Bewegung, die durch den Luftwechsel des Innenraumes mit anderen Räumlichkeiten, sei dies ein anderer Innenraum oder die Außenluft, entsteht.
Um die Behaglichkeit nicht zu beinträchtigen, sollten folgende Temperaturdifferenzen eingehalten werden:
- Wandoberfläche zu Raumluft < 4 K
- Bodenoberfläche zu Raumluft < 10 K, besser max. 5 K
- Unterschied der Lufttemperatur von Fuß- bis Kopfhöhe < 3 K
- verschiedene Wandoberflächen (Strahlungsasymmetrie) < 4 K, besser max. 4 K
- gekühlte Innenraumluft unter der Außenlufttemperatur max. 4 °C
Auch die Luftgeschwindigkeiten und Turbulenzen sind klein zu halten:
- Luftgeschwindigkeit < 0,2m/s, besser 0,1m/s
Die unterschiedliche Raumnutzung und das individuelle Temperaturempfinden der Nutzer führen zu unterschiedlichen optimalen Raumtemperaturen. Erfahrungsgemäß gelten diese Temperaturen im Winter als behaglich:
- Wohnraum / Büro / Schulzimmer: 20 – 22 °C
- Schlafraum: 16 – 18 °C
- Bad / Dusche: 22 – 25 °C
Heiz- und Kühlsysteme
Seit dem der Mensch das Feuer entdeckt hat, nutzt er dieses auch, um sich in kalter Umgebung von dessen Wärmestrahlung aufwärmen zu lassen, zuerst nur als offenes Feuer, später als Wärmequellen in Heizsystemen, die ganze Gebäude beheizen. Auch bei den Kachel- und Specksteinöfen überwog der Anteil an Strahlungswärme und erst mit den Radiatoren und Heizlüftern kam dann eine überwiegend auf Konvektionswärme basierende Erwärmung der Räume auf.
Mit dem Einsatz von Lüftungsanlagen übernehmen diese dann oft auch Heizaufgaben. Bei einer reinen Beheizung von Räumen über die zentral erwärmte Zuluft können die Räume nicht individuell temperiert werden. Um wenigstens im Badezimmer und in Duschräumen eine höhere Temperatur zu ermöglichen, sollten diese über eine zusätzliche Heizmöglichkeit verfügen, sei dies ein Handtuchtrockner, ein Heizstrahler oder eine Wand- bzw. Bodenheizung.
Die Heizanlage oder das -gerät hat die thermischen Behaglichkeitsanforderungen herzustellen und darf die Innenraumluftqualität nicht negativ beeinflussen. Sie darf also keine Gerüche oder Rauchgase an die Innenraumluft abgeben. Die Gefahr von Rauchgasen besteht bei Holzöfen und vor allem bei offenen Kaminen, wenn Abluftanlagen (WC- Abluftventilator, Dunstabzugshaube in der Küche, Lüftungsanlage) betrieben werden. Deshalb sind derartige Öfen beim gleichzeitigen Betrieb mit raumlufttechnischen Anlagen mit raumluftunabhängiger Feuerung zu betreiben.
Unsere wichtigste Wärmequelle ist und bleibt die Sonne, die mit ihrer Wärmestrahlung die Außenwände von Gebäuden erwärmt und durch Fenster in die Räume strahlt und auch aufheizt. Dies kann bei intensiver Sonneneinstrahlung schnell einmal zu einer Überhitzung der Räume führen. Mit einer guten Wärmedämmung, gutem Sonnenschutz, ausreichend Baumasse zur Pufferung von Wärme und durch Kühlen in der Nacht durch Lüften kann in den allermeisten Fällen, auch an heißen Tagen, ohne Kälteanlage eine akzeptable Raumtemperatur bewahrt werden. Mit über Erdregister gekühlte Zuluft kann der Komfort im Sommer noch verbessert werden. Diese erdverlegten Rohre stellen nicht nur ein preiswertes Kühlsystem dar, sie können im Winter auch zum Vorwärmen der Außenluft für die Komfortlüftungsanlage genutzt werden. Leistungsfähigere Kühlsysteme sind nur bei ungünstiger Bauweise oder einem großen Maschinenpark im Raum gerechtfertigt.
Erdwärmetauscher
Als preiswertes und effizientes Kühlsystem haben sich Flüssigkeits-Erdregister, auch als Sole-Erdregister bekannt, zur Kühlung der Außenluft bewährt, die in der kühleren Jahreszeit auch zum Vorwärmen der Außenluft für die Lüftungsanlage genutzt werden können. Dagegen sind Lufterdregister aus hygienischer Sicht kritischer zu betrachten.
Erdwärmetauscher bieten vor allem zum Vortemperieren der Außenluft für die Lüftungsanlage eine äußerst interessante Lösung. Mit Erdregistern kann in der kalten Jahreszeit die Außenluft auf mindestens 5°C vorgewärmt und an heißen Tagen bis gegen 20°C abgekühlt werden. Sie eignen sich allerdings nicht, um große Kältelasten abzuführen.
Bei Erdwärmetauschern wird zwischen Luft- und Sole-Erdwärmetauschern unterschieden. Luft- Erdwärmetauscher können bei Kleinstanlagen, wie sie in Einfamilienhäusern Anwendung finden, mit ein wenig tieferen Erstellungskosten punkten, weisen aber folgende Nachteile gegenüber den Sole-Wärmepumpen auf:
- wesentlich anfälliger auf Hygieneprobleme
- aufwändigere Wartung, bzw. höherer Reinigungsaufwand
- aufwändigere Verlegung, da ein Mindestgefälle eingehalten werden muss
- die Wärme- respektive Kühlleistung ist nicht regelbar
Sonnenschutz
Der perfekte Sonnschutz sollte die direkte Sonneneinstrahlung in Räumen verhindern und die Sicht möglichst wenig beeinträchtigen. Um das zu erreichen, stehen uns heute moderne Wärmeschutzgläser und effiziente Beschattungslösungen zur Verfügung. Diese Lösungen basieren auf der geschickten Nutzung einer Schatten spendenden Fassadenstruktur (Dachvorsprung, Balkon), festen Beschattungselementen, die bei hohem Sonnenstand (Sommer) die Fenster abschatten und bei tiefem Stand die Besonnung zulassen oder auf ausstellbaren Markisen. Die Beschattung ist, wenn immer möglich, außerhalb der thermischen Hülle anzubringen und muss, bevor die Besonnung das Fenster erreicht, ihre Aufgabe übernehmen. Das kann nur mit an den Standort angepassten Lösungen erreicht werden. Durchaus Sinn machen kann auch die Beschattung zu automatisieren, sodass die Beschattung auch bei Abwesenheit der Bewohner gewährleistet ist. Es ist wichtig eine Überhitzung der Räume zu verhindern, denn es ist bei viel zu hohen Temperaturen schwer, kurzfristig die Räume ohne sehr leistungsfähige Kühlsysteme auf Komforttemperatur abzukühlen.