Der Mensch und das Raumklima

Ein Video zum Thema Raumklima finden Sie unter www.uponor.de/heizen-und-kuehlen.html, weitere Informationen darüber hinaus bietet das Praxishandbuch von Uponor, das sie online unter  www.uponor.de/academy/unser-praxishandbuch finden.Einen direkten Draht zum Unternehmen haben sie unter www.uponor.de. Den Text zum Beitrag aus der aktuellen TAB 11-12/2009 finden Sie hier:

Die thermische Behaglichkeit

Die erste Anforderung an ein akzeptables Raumklima besteht darin, dass sich ein Mensch mit seinem Körper im Ganzen thermisch neutral fühlt. Das bedeutet: Der Mensch bevorzugt in seiner Umgebungstemperatur weder einen höheren, noch einen niedrigeren Wert. Ein angenehmes thermisches Raumklima und die Wahrnehmung von Behaglichkeit sowie Temperatur hängt beim Menschen vor allem mit der stoffwechselbedingten Erzeugung von Wärme, ihrer Abgabe an die Umgebung, den daraus resultierenden physiologischen Anpassungen der Körpertemperatur und vom Transpirieren ab. Um den allgemeinen thermischen Zustand des Körpers bei Behaglichkeit jedoch ebenfalls bei Stresssituationen durch Hitze oder Kälte zu bewerten, wird auf die Analyse des Systems zum Wärmeausgleich des menschlichen Körper zurückgegriffen.

Dabei wird die Wärmespeicherung des Körpers durch verschiedene Parameter beeinflusst und kann durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden:

S = M – W – C – R – E_sk – C_res – E_res – K

Erklärung:

S Wärmespeicherung im Körper

M stoffwechselbedingte Erzeugung von Wärme

W körperliche Arbeit

C Wärmeabgabe durch Konvektion

R Wärmeabgabe durch Wärmestrahlung

E_sk Wärmeabgabe durch Verdunstung über die Haut

C_res Wärmeabgabe durch Atmung

E_res Wärmeabgabe aufgrund von Verdunstung durch die Atmung

K Wärmeabgabe durch Wärmeleitung

Der Wärmehaushalt des Menschen wird durch Faktoren wie Aktivität (Stoffwechselgeschwindigkeit, met oder W/m²), Wärmeundurchlässigkeit der Kleidung I_cl (clo oder m²C/W), Feuchtigkeitsdurchlässigkeit der Kleidung RE, clo (m² PA/W), Lufttemperatur t_a (°C), mittlere Strahlungstemperatur t_r (°C), Luftgeschwindigkeit v_ar (m/s) und dem partiellen Wasserdampfdruck p_a (Pa) beeinflusst.

Ziel ist es, diese Parameter so zu kombinieren, dass die Wärmespeicherung Null ergibt, um damit einen ausgeglichenen Wärmehaushalt sicherzustellen und Behaglichkeit zu erreichen.

 

Generelle thermische Behaglichkeit

Um die in der Praxis auftretenden Abweichungen des Raumklimas zu bewerten, wurde durch Prof. Fanger, der sich mit Gesundheitsaspekten im Innenraumbereich an der Technischen Universität in Dänemark beschäftigte, aus der Behaglichkeitsgleichung der Parameter PMV- und PDD-Index abgeleitet und in die DIN EN ISO 7730 aufgenommen. Das PMV (Predicted Mean Voting / erwartete mittlere Beurteilung) ist dabei ein Index, der den Durchschnittswert für die Klimabeurteilung durch eine große Personengruppe anhand einer sieben-stufigen Klimabeurteilungsskala vorhersagt (+3 heiß, +2 warm, +1 schwach warm, 0 neutral, -1 schwach kühl, -2 kühl, -3 kalt).

Da der PMV-Index davon ausgeht, dass jegliche Verdunstung über die Haut durch die Kleidung in die Umgebung erfolgt, ist diese Methode nicht für sehr heiße Tage geeignet.

Entsprechend der DIN EN ISO 7730 sollte der Index daher lediglich in der Spanne von -2 bis +2 angewendet werden, also in thermischen Umgebungen, die nur minimales Transpirieren hervorrufen. Darüber hinaus wird die Anwendung des PMV-Indexes empfohlen, wenn folgende sechs Hauptparameter innerhalb der folgenden Grenzen liegen:

M 46 bis 232 W/m² (0,8 bis 4 met)

I_clo 0 bis 0,310 m²C/W (0 bis 2 clo)

t_a 10 bis 30 °C

t_r 10 bis 40 °C

v_ar 0 bis 1 m/s

p_a 0 bis 2700 Pa

 

Da sich der PMV-Index (Bild 1) auf einen Mittelwert einer großen Personengruppe bezieht, betrachtet die Prognose speziell die Anzahl der tatsächlich unzufriedenen Personen. Mit der Einführung des PDD-Index („Predicted Percentage of Dissatisfied“, „Prozentsatz erwarteter Unzufriedener“) ist es möglich, auch eine quantitative Vorhersage der Anzahl thermisch unzufriedener Personen in einer Gruppe zu liefern. Der Rest der Gruppe wird das Umgebungsklima entweder als klimatisch neutral, etwas zu warm oder etwas zu kalt empfinden. Aufgrund individueller Unterschiede der klimatischen Empfindung ist es jedoch kaum möglich, ein thermisches Raumklima zu schaffen, das alle Personen gleicher Maßen zufrieden stellt.

Ein akzeptables thermisches Raumklima ist in DIN EN ISO 7730 und in DIN EN 15 251 für drei Kategorien definiert. Das Raumklima wird dann als akzeptabel definiert, wenn es von mindestens 80 % der beteiligten Personen als thermisch annehmbar empfunden wird (Tabelle 1).

Jede Qualitätskategorie beschreibt dabei einen maximal erlaubten Prozentsatz an Unzufriedenen in Abhängigkeit des PMV-Index. Diese Angaben beziehen sich dabei auf die vier dargestellten Arten der lokalen Unbehaglichkeit. Einige Anforderungen sind in der Praxis schwer zu erfüllen, während andere relativ leicht umzusetzen sind. Die unterschiedlichen Prozentsätze sind das Ergebnis des Bestrebens, mit den heutigen Möglichkeiten einer möglichst großen Personenzahl ein behagliches Raumklima zur Verfügung zu stellen.

 

Tätigkeitsgrad und Bekleidung

Wie bereits gezeigt, ist die Tätigkeit bzw. die körperliche Arbeit ebenfalls ein Faktor, der den Wärmehaushalt des Menschen beeinflussen kann. Mit Hilfe der DIN EN ISO 8996 kann dazu die Aktivität bzw. der Arbeitsenergieumsatz ermittelt werden. Beispiele zu den Tätigkeitsgraden sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Die EN ISO 9920 liefert umfassende Daten zu Wärmedämmwerten, die an einer stehenden Person gemessen wurden. Weitere Dämmwerte werden in der EN ISO 9920 für einzelne Kleidungsstücke angegeben. Die Wärmedämmung einer gesamten Bekleidung I_cl kann dabei als Summe der einzelnen Kleidungsstücke berechnet werden.

 

Lokale thermische Behaglichkeit

Neben der thermischen Neutralität, wie sie von dem PMV-PPD-Indizes oder der operativen Temperatur beschrieben wird, kann sich eine Person aufgrund anderer Gegebenheiten dennoch unbehaglich fühlen. Dies ist dann der Fall, wenn ein Teil des Körpers z. B. warm und ein anderer kalt ist.

Daher ist es zusätzlich zur thermischen Behaglichkeit wichtig, dass keine Faktoren der lokalen thermische Unbehaglichkeit vorliegen. Eine lokale Unbehaglichkeit wird z. B. durch Zugluft, vertikale Lufttemperaturunterschiede, einem asymmetrischen Strahlungsfeld oder dem Kontakt mit einem warmen oder kalten Fußboden verursacht.

 

Zugluft

Insbesondere das Auftreten von Zugluft ist eine häufige Ursache von Unbehaglichkeit bei Personen, die sich in belüfteten oder klimatisierten Räumen aufhalten. Für die Zugrate liegen Formeln vor, mit der sie geschätzt werden kann. Hierbei muss jedoch berücksichtigt werden, dass Personen mit sitzenden Tätigkeiten gegenüber Personen mit nicht sitzenden Tätigkeiten wesentlich empfindlicher auf Zugluft reagieren.

 

Vertikaler Lufttemperaturunterschied

Neben Zugluft ist auch der vertikale Lufttemperaturunterschied zwischen Kopf und Fußknöchel entscheidend für ein thermisches Unbehagen. Bild 2 zeigt den Einfluss von vertikalen Lufttemperaturunterschieden auf den Anteil mit dem Klima unzufriedener Personen, wobei hier die Abbildung für steigende Temperaturen gilt. Bei sinkenden Temperaturen reagieren Menschen weniger empfindlich.

Strahlungstemperatur-Asymmetrie

Der Mensch ist ausgesprochen empfindlich gegenüber einer Strahlungsasymmetrie, die z. B. durch warme Zimmerdecken oder kühle Wände (Fenster) hervorgerufen wird. Unter Strahlungsasymmetrie versteht man die maximale Temperaturdifferenz, die in einem Raum zwischen sich gegenüberliegenden Flächen auftritt. Die daraus folgende uneinheitlich einseitige Erwärmung bzw. das Abkühlen des Menschen durch uneinheitliche Temperaturen der Umschließungsflächen kann schließlich zum thermischen Unbehagen führen.

 

Oberflächentemperaturen

Auch zu kalte oder zu warme Oberflächentemperaturen, beispielsweise bei Fußböden, führen beim Menschen häufig zu einem thermischen Unbehagen. Dabei ist das Wohlbefinden mit normalen Schuhen auf Fußböden weniger abhängig vom Fußbodenmaterial, sondern vielmehr von der Fußbodentemperatur.

 

Raumluftqualität

Die Qualität der Außenluft von Städten einiger Industrieländer hat sich in den letzten Jahrzehnten stark verbessert. Im Gegensatz dazu hat sich aufgrund von Energieeinsparungen, verminderter Ventilation und zahlreicher neuer Materialien und Quellen für die Raumluftverschmutzung die Raumluftqualität häufig verschlechtert.

Fachleute schätzen, dass insbesondere die Zunahme von Asthma- und Allergieerkrankungen in den Industrieländern, jedoch auch Sympto­me wie das Sick-Building-Syndrom zum Teil auf die schlechte Raum­luft­qualität zurückzuführen sind.

 

Gesundheit

Gesundheit kann entsprechend der Aussage der WHO-Verfassung definiert werden als „ein Zustand vollständigen körperlichen, geistigen und sozialen Wohlbefindens und nicht nur als das Nichtvorhandensein von Krankheit oder Schwäche“.

Demnach kann gesunde Raumluft definiert werden als: „Luft, die keinerlei Risiko für Erkrankungen birgt und die Behaglichkeit sowie das Wohlbefinden aller Bewohner sicherstellt.“

Studien über den Einfluss der Raumbedingung auf die Gesundheit wurden in den Industrieländern hauptsächlich in Europa und Nord-amerika durchgeführt. Dabei konnte festgestellt werden, dass es durchaus Zusammenhänge zwischen der Raumluftqualität und Krankheiten, wie Asthma, Lungenkrebs und weiteren Beeinträchtigung für die Gesundheit gibt (Bild 3). So hat sich die Anzahl der Allergiker und Asthmaerkrankungen in einigen Industrieländern in den letzten zwei Jahrzehnten nahezu verdoppelt.

Ein Grund für die Zunahme sieht Olesen [1] in Aufgrund von umfangreichen Energieeinsparungskampagnen ausgeführten Maßnahmen, die durch steigende Energiepreise ausgelöst wurden. Dadurch sind die Menschen sensibilisiert worden, Wohnräume dicht zu halten und die wichtige Luftwechselrate zu verringern. Die Konsequenz: Der Luftaustausch heutzutage befindet sich in vielen Wohnungen häufig auf einem historischen Tiefpunkt. Weitere ausschlaggebende Faktoren für schlechte Raumluftqualitäten sind jedoch ebenfalls die Zunahme von Materialien und Elektrogeräten, die mehr und mehr selbst in Kinderzimmern Einzug gehalten haben.

 

Feuchtigkeit

Um die erhöhte Feuchtigkeitsproduktion im Haus (Personen, Kochen usw.) im Verhältnis zur Außenluft auszugleichen, muss die Lüftungsrate etwa bei 7 l/s Person liegen. In typischen Wohnungsgrößen entspricht das 0,35 l/s m², was wiederum eine Luftwechselrate von 0,5 h^-1 entspricht.

Gerade der Schimmelpilz ist heute ein ernsthaftes Problem im Wohnungsbau. Im dritten Schadensbericht der Bundesregierung waren 12,7 % der schadensbezogenen Sanierungsmaßnahmen auf Schimmelpilzbefall zurückzuführen. Dieser trat meistens nach dem Austausch von Fenstern, im Rahmen einer Modernisierungsmaßnahme auf.

Dabei können die Kriterien für ein als „feucht“ klassifiziertes Gebäude durchaus variieren. Zu den Feuchtigkeitsproblemen mit gesundheitlichen Auswirkungen gehören auch Wasserschäden, übermäßige Kondensatwasserbildung an kalten Oberflächen und Anzeichen von Keimwachstum durch Schimmelpilzbildung (Bild 4).

Grundsätzlich muss in diesem Zusammenhang zwischen Feuchtigkeit in der Gebäudestruktur und Feuchtigkeit in der Raumluft unterschieden werden. Feuchtigkeit in der Gebäudestruktur kann zu einem Qualitätsverlust der Baumaterialien führen und schafft günstige Bedingungen für ein Keimwachstum. Die relative Raumluftfeuchtigkeit kann zu Beschlag auf kalten Innenflächen oder zu Kondensbildung in der Gebäudestruktur führen, so dass auch hier das Keimwachstum erhöht wird und Erkrankungen, wie Asthma, gefördert werden.

 

Lüftungsraten

Die Verunreinigung der Raumluft in Wohnungen und Einfamilienhäusern sind von verschiedenen Faktoren abhängig. Neben Verunreinigungen durch eine Person selbst (Bioeffluenten, Feuchtigkeit, Tabakrauch) sind zusätzlich auch indirekte Verunreinigungen (Kochen, Duschen, Haustaubmilben) und Verunreinigungen durch Emissionen aus Möbeln und Gebäudematerialien zu berücksichtigen. Daher sollten wie bereits o.g. die erforderlichen Lüftungsraten von 0,35 l/s m² in Wohnungen 0,5 Luftwechseln pro Stunde entsprechen. Beispiele für Lüftungsraten in Wohngebäuden zeigt Tabelle 4.

Bei Büro- und Verwaltungsgebäuden ist in den entsprechenden Normen (z. B. DIN EN 15 251) und Richtlinien oft mehr als eine Methode für die Bestimmung des Außenluftvolumenstroms angegeben. Neben der vorgeschriebenen Methode, die erforderlichen Luftströme aus Tabellen zu entnehmen, kann die Außenluftrate auch anhand einer analytischen Methode ermittelt werden. Dabei wird der erforderliche Luftstrom in Abhängigkeit von Schadstoffen, Schadstoffemissionen und Anforderungen an maximal erlaubte Schadstoffkonzentrationen berechnet. Eine ausführliche Berechnung liefert dazu Olesen [1] im Praxishandbuch der technischen Gebäudetechnik, Beuth Verlag 2009.

 

Raumklima und Leistung

Die Auswirkungen von Raumluft auf die Produktivität sind erst in den letzten Jahrzehnten zu einem Thema geworden. Wenn man berücksichtigt, dass die Gehälter von Beschäftigten in heutigen Bürogebäuden um ungefähr das Hundertfache die Energie- und Wartungskosten eines Gebäudes übertreffen, sollte eine Produktivitätssteigerung von lediglich 1 % ausreichen, um selbst eine Verdopplung der Energie- und Wartungskosten oder größere Investitionen in Konstruktions- oder Mietkosten abzudecken.

Die Beziehungen zwischen Raumtemperatur und Leistungen wurden von Seppänen und Fisk in [2] zusammengestellt und belegen einen eindeutigen Zusammenhang der hier aufgeführten Faktoren.

Nach [2] lässt sich die Produktivität steigern, wenn sich die thermi­schen Bedingungen einem erwarteten thermischen Komfortbereich nähern.

Schlechte Raumluftqualität bewirkt steigende ökonomische Kosten. Dies zeigt sich z. B. durch eine erhöhte Anzahl von Krankheiten und Krankentagen, eine verminderte Arbeitsleistung sowie hohe Kosten für medizinische Behandlung (Bild 5).

Auch Untersuchungen an dänischen Grundschulen belegten, dass eine verbesserte Raumluftqualität durch geänderte Luftwechselraten und eine Senkung der Klassenraumtemperatur im Sommer zu einer wesentlichen Leistungssteigerung führen kann (Bild 6).

 

[1] Praxishandbuch der technischen Gebäudeausrüstung (TGA), Kapitel 2 „Mensch und Raumklima“, Prof. Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Bjarne W. Olesen, Beuth Verlag 2009

[2] O. Seppänen/W. Fisk, Association of Ventilation Type with SBS Symptoms in Office Workers, International Journal of Indoor Air Quality and Climate, 2002

[3] DIN EN ISO 7733 (Mai 2006) Ergonomie der thermischen Umgebung – analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch die Berechnung des PMV- und des PDD-Indexes und Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit, Beuth Verlag

[4] DIN EN 15 251 (August 2007) Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden, Beuth Verlag

[5] DIN EN ISO 8996, (10/2004) Ergonomie – Bestimmung des kör- pereigenen Energieumsatz, Beuth Verlag

[6] DIN EN ISO 9920, (10/2007) Ergonomie der thermischen Um­- gebung – Abschätzung der Wärmeisolation und des Verduns- tungswiderstandes einer Bekleidungskombination, Beuth Verlag