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1.2.1 Thermische Behaglichkeit
1.2.1 Thermische Behaglichkeit – 1.2.2 Oberflächentemperaturen
Die Behaglichkeit des Menschen wird beeinflusst von seiner körperlichen und psychischen Verfassung, seiner Tätigkeit, seiner Bekleidung sowie von Luftqualität, Licht, Lärm und elektrischen Phänomenen. Weiter hängt die Behaglichkeit von thermischen Umgebungsbedingungen ab, nämlich: den Temperaturen der Luft und der Umschliessungsflächen, den Luftgeschwindigkeiten sowie der Luftfeuchtigkeit. Es werden hier die thermischen Aspekte näher beleuchtet (weitere Aspekte in [Zür).
Nach [EN ISO 7730] ist die thermische Behaglichkeit gleichzeitig in drei Bereichen zu erzielen:
- allgemeine Raumbedingungen, beurteilt mittels PMV-Index
- Strahlungsasymmetrie
- Luftzug
Die Problematik ist komplex. Eine messtechnische Nachprüfung der Behaglichkeit ist deshalb mit grossem Aufwand verbunden. Da nicht jeder Mensch gleich empfindet, ist die thermische Behaglichkeit eine statistische Angelegenheit. Die Berechnungsformeln wurden von P. O. Fanger empirisch ermittelt. Als optimal gilt derjenige Raumzustand, der von den meisten Benützern als neutral, d.h. weder zu kalt noch zu warm, empfunden wird.
Wärmeabgabe des Menschen
Die Wärmeabgabe des Menschen hängt von der Tätigkeit ab (Bild 1.10). Als Einheit wird das «met» eingeführt (von englisch «metabolism»). 1 met entspricht der Wärmeproduktion von 58 W/m2 Körperoberfläche.
Bild 1.10 Wärmeabgabe bei verschiedener Tätigkeit
Thermischer Widerstand der Bekleidung
Als Einheit wird das «clo» (von englisch «clothing») verwendet. 1 clo entspricht einem Wärmedurchlasswiderstand von 0,155 m2K/W (Bild 1.11).
Bild 1.11 Wärmedämmwerte von verschiedenen Bekleidungen
Beurteilungsgrössen des thermischen Komforts
PMV-Index (Predicted Mean Vote): voraussehbare mittlere Beurteilung. Der PMV-Index ist die mittlere Beurteilung des Raumklimas, wie sie durch eine grosse Anzahl von Personen vorgenommen würde.
PPD-Index (Predicted Percentage of Dissatisfied): voraussichtlicher Anteil unzufriedener Personen. Der PPD-Index ist der Anteil jener Personen, die ein gegebenes Raumklima als nicht akzeptabel bezeichnen. Die Bilder 1.12 und 1.13 zeigen den Zusammenhang zwischen der mittleren Beurteilung und dem Anteil der Unzufriedenen.
Bild 1.12 Beurteilungsskala der thermischen Komfortgrössen
Bild 1.13 PPD-Werte in Abhängigkeit der PMV-Werte
Komfortanforderungen
Die Komfortanforderungen sind im Bild 1.14 zusammengestellt. Ein Raumzustand gilt als komfortabel, wenn er von 90 % der Bewohner als akzeptabel bezeichnet wird. Die mittlere Luftgeschwindigkeit, welche noch als angenehm empfunden wird, nimmt mit steigender Lufttemperatur zu. Die angegebenen Werte gelten für einen geringen Turbulenzgrad (Mass für Abweichungen der momentanen von der mittleren Geschwindigkeit). Bei hohem Turbulenzgrad ist die akzeptable mittlere Luftgeschwindigkeit geringer.
Bild 1.14 Komfortanforderungen für leichte Tätigkeit im Sitzen nach [EN ISO 7730]
Bild 1.15 Optimale Raumtemperatur in Abhängigkeit von Tätigkeit und Bekleidung nach [EN ISO 7730], die ausgezogenen Kurven gelten für PMV = 0 bzw. PPD = 5 %, die angegebenen Toleranzbereiche für PMV = ±0,5 bzw. PPD < 10 % (Kategorie B)
Die optimalen Raumtemperaturen sind in Bild 1.15 dargestellt. Zusätzlich sind helle und schraffierte Bereiche angegeben mit Temperaturtoleranzen, innerhalb welcher 90 % der Personen zufrieden sind. Das Diagramm gilt für eine relative Feuchte von etwa 30 bis 70 %.
Beispiel:
Bei leichter, sitzend ausgeführter Büroarbeit (Wärmeabgabe 1,2 met) mit Büroanzug (1,0 clo) liegt die optimale Raumtemperatur bei 21,5 °C mit einem Toleranzbereich von ±2,5 K.
1.2.2 Oberflächentemperaturen
1.2.1 Thermische Behaglichkeit – 1.2.2 Oberflächentemperaturen
Bedeutung der Oberflächentemperaturen
Der Wärmeabfluss unseres Körpers erfolgt durch Konvektion, Strahlung und Wärmeleitung. Unser Temperaturempfinden hat deshalb nicht nur mit der Raumlufttemperatur, sondern auch mit den inneren Oberflächentemperaturen des Raums zu tun. Die empfundene Temperatur wird auch als Raumtemperatur oder operative Temperatur bezeichnet. Sie ist das arithmetische Mittel der Raumlufttemperatur und der mittleren Oberflächentemperatur (auch Strahlungstemperatur). Die Oberflächentemperaturen werden, vom Beobachter aus gesehen, über den ganzen Raumwinkel gemittelt.
Eine Strahlungsasymmetrie (d.h. in verschiedenen Richtungen verschiedene Oberflächentemperaturen) beinflusst unser Wohlbefinden. Die Strahlungsasymmetrie ist die Differenz der mittleren Oberflächentemperaturen zweier Halbräume. In einem Wohnraum mit Kachelofen fühlt man sich, trotz ausgeprägter Strahlungsasymmetrie, ausgesprochen wohl. Es besteht die Möglichkeit, in eine als behaglicher empfundene Zone auszuweichen. In Büros hingegen besteht keine Fluchtmöglichkeit, es ist eine weitgehende Symmetrie zu fordern.
Im Winter bewirkt die tiefe Oberflächentemperatur von Fenstern und Aussenwänden nebst der kalten Strahlung auch eine kalte Luftströmung. Beide Vorgänge können darunterliegende Heizflächen nötig machen, um behagliche Bedingungen in Fensternähe zu erreichen. Heizkörper sind in dieser Hinsicht wirksamer als Fussbodenheizungen. Wenn aber beispielsweise in einem Büro die Heizkörper wegen Abwärme gar keine Wärme abgeben, entfällt diese Kompensationswirkung.
Kaltluftabfall
Die Anforderungen hinsichtlich Luftströmungen im Aufenthaltsbereich erweisen sich, ohne spezielle Massnahmen, als wesentlich kritischer für den Komfort als die Strahlungsasymmetrie. Deshalb genügt es hier, den Kaltluftabfall genauer zu untersuchen (Bild 1.16). In der Grenzschicht an der Fensteroberfläche (oder an einer kalten Wand) entsteht eine nach unten gerichtete Kaltluftströmung infolge freier Konvektion. Die Kaltluftströmung wird von der internen Wärmelast verstärkt und von der Sonnenstrahlung auf Fenster abgeschwächt. Die Strömung wird am Boden gegen das Rauminnere umgelenkt und kann nahe dem Fenster zu unangenehmem Luftzug im Fussbereich führen. In Räumen mit Eckverglasung wird das Problem noch massiv verschärft, da sich die zwei abfallenden Luftströme vereinen (Bild 1.17). Dabei ist zu unterscheiden zwischen dem Glas-U-Wert Ug und dem Fenster-U-Wert Uw. Letzterer umfasst neben dem Glas auch den Glasrandverbund und den Fensterrahmen und ist deshalb grösser als der Glas-U-Wert [Zür], [EnFK].
Bild 1.16 Maximaler U-Wert des Fensters (oder der Aussenwand), um Komfortprobleme durch Kaltluftabfall zu vermeiden, für einen einseitig verglasten Raum mit interner Wärmelast, ohne Sonneneinstrahlung, Raumtemperatur 21 °C [SIA 180]
Bild 1.17 Strömungsverlauf in Raum mit Eckverglasung [Sui]
Mögliche Massnahmen gegen die kalte Strömung bei hohen Fenstern sind:
- kleineren U-Wert des Glases wählen
- Fensterhöhe reduzieren
- durch Fensterunterteilung mit Strömungsabweiser die Fallhöhe reduzieren
- Heizkörper unter dem Fenster (bei viel Abwärme nicht wirksam)
- Zulufteinführung von unten entlang des Fensters
- in Wohnräumen nachts einen «dichten», bis zum Boden reichenden Vorhang vor das Fenster ziehen.
Beispiel:
Bei einer Fensterhöhe von 2,0 m und einer Aussentemperatur von 0 °C darf der Fenster-U-Wert höchstens 0,84 W/m2K betragen, damit ohne Zusatzmassnahmen der Komfort betreffend Luftzug genügend ist.