Thermischer Komfort bei Quelllüftung

Bei der Belüftung von Räumen unterscheidet man im Allgemeinen zwischen zwei Strömungsformen: Mischströmung und Verdrängungsströmung. Mischströmung entsteht durch die impulsreiche, lokale Einbringung eines Luftstrahls in den Raum. Bei einer Verdrängungsströmung hingegen tritt die Luft gleichmäßig über eine große Eintrittsfläche in das Raumvolumen ein. Die Geschwindigkeit ist dabei so groß, dass auftretende Raumlasten das Strömungsbild nicht beeinflussen können [6]. 

Als weitere Strömungsform ist Quelllüftung, im Englischen als „displacement ventilation“ bezeichnet, zu nennen, die als ein Sonderfall der Verdrängungsströmung bezeichnet werden kann.

Seit den achtziger Jahren wird Quelllüftung mit steigender Tendenz zur Belüftung und Klimatisierung von Gebäuden verwendet. Quellluftsysteme basieren allerdings nicht auf dem Prinzip der Verdrängung, sondern sie nutzen die freie Konvektionsströmung an den im Raum befindlichen Wärmequellen. Eine Quellluftströmung kann daher als eine – im Gegensatz zur klassischen Verdrängungsströmung – impulsarme Strömung von unten nach oben mit lokalen Wärmequellen im Strömungsgebiet charakterisiert werden [5]. Die Zuluft wird dem Raum bodennah mit einer Untertemperatur und geringem Impuls zugeführt (ca. 0,2 m/s). Die Raumluft erwärmt sich stetig mit zunehmender Höhe. Vertikale Temperatur- und Dichteunterschiede sorgen für eine stabile Schichtung im Raum [14].

Betrachtet man nun die Nutzung und Auslegung von Quellluftsystemen, weisen diese große Vorteile gegenüber anderen Systemen auf. Quellluftsysteme sind energieeffizienter, da weniger Kühlenergie benötigt wird, um in der Aufenthaltszone eine Zieltemperatur zu erreichen. Außerdem kann das Prinzip der „freien Kühlung“ an mehr Tagen im Jahr genutzt werden, da eine höhere Zulufttemperatur zur Kühlung im Gegensatz zu einer Mischströmung genutzt werden kann. Eine höhere Luftqualität in der Aufenthaltszone und eine Verbesserung des thermischen Komforts kann erreicht werden, da nur sehr geringe Luftgeschwindigkeiten in der Aufenthaltszone herrschen. 

Die thermische Behaglichkeit beschreibt dabei das Gefühl der Zufriedenheit des Nutzers mit seiner Umgebung. Insbesondere bei Quellluftkonzepten können Personen sensibel gegenüber lokalen Unbehaglichkeiten reagieren, die bei Quelllüftung im Fuß oder Kopfbereich entstehen können [1,3]. 

Ein wesentlicher Faktor, der den thermischen Komfort von Quellluftsystemen beeinflusst, ist neben der mittleren Raumtemperatur T_m, auch der vertikale Temperaturgradient ΔT/Δy­ ­in K/m. Typischerweise wird dieser in sitzender Position zwischen Kopf- und Fußbereich definiert. Der Einfluss des Temperaturgradienten auf den thermischen Komfort wurde in den Normen ASHRAE Standard 55 und der weitestgehend inhaltsgleichen DIN EN ISO 7730 definiert, die das thermische Empfinden eines Probanden in seiner Umgebung beschreiben [1,3].

In Bild 1 ist der Einfluss des Temperaturgradienten auf den Anteil der Unzufriedenen dargestellt. Hierbei ist auf der vertikalen Achse der Anteil der Unzufriedenen (PD = percentage of dissatisfied) und auf der horizontalen Achse der Temperaturunterschied (Δt _a,v) zwischen Kopf- und Fußbereich dargestellt. Der Anteil der Unzufriedenen bezeichnet dabei den Prozentsatz an Nutzern, die das Umgebungsklima aufgrund des Temperaturgradienten als unbehaglich bewerten. Mit steigendem Temperaturgradienten nimmt der Anteil der Unzufrieden exponentiell zu (vgl. Bild 1). Der genaue Einfluss des vertikalen Temperaturgradienten sowie die Abhängigkeit von der mittleren Raumtemperatur wird im Folgenden untersucht.

 

Der Aachen Comfort Cube

Zur Erweiterung des Komfortbereichs von Quelllüftung werden Probandenexperimente in einem hochmodularen Komfortkubus, dem Aachen Comfort Cube (ACCu) durchgeführt. Der ACCu hat eine Grundfläche von 2 m x 2 m und eine Höhe von 2,5 m. Drei der umschließenden Seitenwände sind in jeweils vier Flächensegmente unterteilt. Das erste und dritte Flächensegment sind 400 mm, das zweite ist 500 mm hoch und das obere Segment hat eine Höhe von 1.050 mm. Probanden können das Klima im Kubus sitzend sowie stehend bewerten (Bild 2). Die Unterteilungen der Flächensegmente sind dabei so gewählt, dass sich auf Kopfhöhe sowohl für eine sitzende als auch eine stehende Person ein temperierbares Flächensegment befindet. In die verschiedenen Flächensegmente sind Kapillarrohrmatten eingelassen. Abhängig von der Vorlauftemperatur, die stufenlos für jedes Segment geregelt werden kann, stellt sich eine Oberflächentemperatur zwischen 15 °C und 40 °C ein.

Die Untersuchungen bei Quelllüftung erfolgen über zwei gegenüberliegende horizontale Einlässe mit den Abmessungen 2 m x 0,1 m, mit denen im Bodenbereich Luft mit niedriger Geschwindigkeit in den Kubus geleitet wird.

Der ACCu ist des Weiteren mit einem variablen Lüftungssystem ausgestattet, welches die Luft vorkonditioniert und stufenlos auf die gewünschte Austrittstemperatur von 14 °C bis 35 °C regelt [7].

Die sich einstellende Temperaturverteilung der Luft innerhalb des Kubus wird mit insgesamt 16 PT100-Widerstandsthermometern mit einer Genauigkeit von ¹/₃ Klasse B in vier Ebenen aufgezeichnet [4]. Die Widerstandsthermometer befinden sich auf vier Ebenen in 0,1 m, 0,6 m, 1,1 m und 1,7 m Höhe. Die Temperaturen auf Kopfhöhe entsprechen der Höhe von 1,1 m, die der Fußhöhe von 0,1 m. In jeder Ebene sind vier Widerstandsthermometer angeordnet. Zusätzlich wird die operative Raumtemperatur in allen vier Höhen gemessen [1,2].

 

Probandenversuche

Die Bewertung des thermischen Komforts von verschiedenen Lastfällen bei Quelllüftung erfolgt mittels eines mit der Internetplattform Unipark erstellten digitalen Fragebogens [13].

Der Aufbau orientiert sich am Fragebogen, der im Rahmen früherer Untersuchungen verwendet wurde [15]. Zu Beginn des Fragebogens werden personenbezogene Daten wie Geschlecht, Alter, Größe, Gewicht und Herkunftsland sowie der Gesundheitszustand abgefragt. Weiterhin werden der Sitzplatz des Probanden im Prüfstand und der Bekleidungsgrad erfasst.

Es werden Fragen für das Gesamtempfinden und jeweils für 16 Körperteile abgefragt, die an das Komfortmodell nach Streblow angelehnt sind [15]. Dabei werden Fragen zum Temperaturempfinden, zur thermischen Behaglichkeit und zur thermischen Präferenz gestellt. Die Bewertungsskala zum thermischen Empfinden orientieren sich an der siebenstufigen Skala aus der DIN EN ISO 7730 [3]. Abweichend ist der Neutralzustand mit „weder kühl noch warm“ bezeichnet. Der thermische Komfort wird in einer sechsstufigen Skala abgefragt, wobei kein Neutralzustand gegeben ist. Die Skala ist dabei an die Behaglichkeitsskala nach Zhang [16] angelehnt. Die thermische Präferenz wird in einer fünfstufigen Skala angegeben. Am Ende des Fragebogens bewerten die Probanden, ob sie das Gesamtklima annehmen oder ablehnen würden.

Um verschiedene Temperaturgradienten im Prüfraum einzustellen, werden über die Seitenwände thermische Lasten eingebracht. Um den Strahlungseinfluss durch die erhöhten Wandtemperaturen zu reduzieren, werden die Wände mit geschlitzten Polystyrolplatten abgeschirmt, so dass die Wärme der Wände hauptsächlich konvektiv in den Raum eingebracht wird.

Eine Thermografieaufnahme der installierten Dämmung ist in Bild 3 dargestellt.

Die Probandenversuche werden bei einer mittleren Raumtemperatur von 20 °C, 23 °C und 26 °C durchgeführt. Die mittlere Raumtemperatur stellt sich in den Versuchen in einer Raumhöhe von 0,6 m ein.

Die Quelllüftungsuntersuchungen bei einer mittleren Raumtemperatur von 23 °C werden mit einem vertikalen Temperaturgradienten ΔT/Δy von 1 K/m, 4,5 K/m, 6 K/m, 8 K/m und 12 K/m untersucht. Der angegebene Gradient ΔT/Δy entspricht dabei der geplanten Temperaturdifferenz zwischen dem Kopf- (1,1 m) und Fußbereich (0,1 m).

Im nächsten Schritt werden mittlere Raumtemperaturen von 20 °C und 26 °C bei einem vertikalen Temperaturgradienten von 8 K/m untersucht.

Nach ca. 15 min unter konstanter Schichtung im Raum wird der Fragebogen ausgefüllt. Abhängig vom Versuchsfall liegt die Anzahl der Versuchspersonen pro Konfiguration zwischen 42 und 126 Personen. Während der Versuchsdurchführung werden drei Probanden gleichzeitig befragt.

 

Ergebnisse bei einer mittleren Raumtemperatur von 23 °C

In Bild 4 sind die gemittelten Temperaturen in den einzelnen Höhen für die verschiedenen Lastfälle bei einer mittleren Raumtemperatur von 23 °C dargestellt. Auf der horizontalen Achse ist die Temperatur und auf der vertikalen Achse die Höhe aufgetragen. Hierbei lassen sich die verschiedenen Temperaturgradienten aus dem Diagramm ablesen. Auf einer Höhe von 0,6 m stellt sich die mittlere Raumtemperatur von 23 °C ein. Der Lastfall mit einem vertikalen Temperaturgradienten von ΔT/Δy = 1 K/m liegt auf der Höhe von 0,6 m hierbei 0,5 K unterhalb von 23 °C.

In Bild 5 sind die Ergebnisse zum Temperaturempfinden und in Bild 6 zur thermischen Behaglichkeit dargestellt. Dabei sind die Mittelwerte aus den Probandenantworten für verschiedene Körperteile von Kopf- bis Fußbereich farblich aufgetragen. Die Skalen sind dabei verkürzt dargestellt, um Unterschiede zwischen den einzelnen Körperregionen deutlicher aufzuzeigen. Auf der linken Seite sind die Ergebnisse für einen Temperaturgradient zwischen Kopf- und Fußbereich von 1 K/m, auf der rechten Seite die Ergebnisse für einen Gradienten von 12 K/m dargestellt. Mit steigendem Temperaturgradienten verschiebt sich das thermische Empfinden in Richtung „etwas warm“ im Kopfbereich, im Fußbereich in Richtung „etwas kühl“.

Das thermische Empfinden und die thermische Behaglichkeit wird von den Probanden bei der 1 K/m-Variante am besten bewertetet. Im Mittel verschiebt sich die thermische Behaglichkeit bei höheren Gradienten im Kopf- und Fußbereich hin zu „eher unbehaglichen“ Bewertungen.

Die gewonnen Ergebnisse lassen sich nun mit den Normen ASHRAE Standard 55 und der DIN EN ISO 7730 vergleichen. In Bild 7 ist der Anteil der Unzufriedenen (PD) über dem Temperaturgradient zwischen Kopf- und Fußbereich ΔT/Δy dargestellt. Der Anteil der Unzufriedenen ergibt sich aus den Antworten der Behaglichkeitsbewertung der Probanden. Aus dem Anteil der Antworten von „eher unbehaglich“ bis „sehr unbehaglich“ wird ein Prozentsatz der unzufriedenen Probanden gebildet. Hierbei sind jeweils die Gesamtbeurteilungen aber auch die Antworten für den Kopf- und Fußbereich aufgetragen. Der Anteil der Unzufriedenen steigt mit zunehmendem Temperaturgradienten näherungsweise linear an. Im Kopfbereich steigt der Anteil der Unzufrieden von ca. 13 % bei einem Gradienten von 1 K/m bis auf 26 % bei 12 K/m und für den Fußbereich von 31 % bis auf 63 % an. Bei den Bewertungen des Gesamtempfindens liegen die Bewertungen zwischen dem Kopf- und Fußbereich. Im Vergleich hierzu ist in der Norm DIN EN ISO 7730 und dem ASHRAE Standard 55 der Zusammenhang exponentiell dargestellt. Die Ergebnisse der Norm für den untersuchten Fall können nicht bestätigt werden. Dies lässt den Schluss zu, dass der in der Norm genannte Zusammenhang nicht allgemeingültig ist und sich die Ergebnisse nicht reproduzieren lassen [8, 9, 10].

 

Ergebnisse bei einer mittleren Raumtemperatur von 20 °C und 26 °C

Neben den verschiedenen Lastfällen bei einer mittleren Raumtemperatur von 23 °C werden Ergebnisse bei einer mittleren Raumtemperatur von 20 °C und 26 °C untersucht. Hierbei werden zwei Lastfälle bei einem vertikalen Temperaturgradient von 8 K/m verglichen.

In Bild 8 sind die Temperaturprofile über die Höhe bei einem Gradienten von 8 K/m für verschiedene mittlere Temperaturen dargestellt. Der Lastfall für eine mittlere Raumtemperatur von 23 °C wurde aus den Daten der vorrangegangenen Untersuchungen übernommen. Auf einer Höhe von 0,6 m ergeben sich die entsprechenden mittleren Raumtemperaturen.

In Bild 9 sind die Bewertungen für das thermische Empfinden und in Bild 10 für die thermische Behaglichkeit aufgeführt. Bei einer mittleren Temperatur von 20 °C wird der Rumpf- und Kopfbereich mit „weder kühl noch warm“ bewertet, der Fußbereich mit „etwas kühl“. Bei 23 °C wird der Kopf- und Rumpfbereich ebenfalls mit „weder kühl noch warm“ bewertet, teilweise bis in Richtung „etwas warm“. Die Bewertungen im Fußbereich steigen im Mittel von „etwas kühl“ hin zu einer Bewertung zwischen „etwas kühl“ und „weder kühl noch warm“ an. Die Veränderung bei 26 °C ist gegenüber den vorherigen Bewertungen stärker ausgeprägt. Der Kopf- und Rumpfbereich ist mit „etwas warm“ bis „warm“, der Fußbereich mit „weder kühl noch warm“ bewertet.

Bei den Behaglichkeitsbewertungen zeigt sich ein ähnlicher Effekt. Der Kopf- und Rumpfbereich bei 20 °C und 23 °C werden zwischen „eher behaglich“ und „behaglich“ bewertet. Der Fußbereich bei 20 °C wird mit „eher unbehaglich“ bewertet, wohingegen bei 23 °C die Bewertungen neutral sind. Für 26 °C sind die Bewertungen alle Körperregionen zwischen „eher unbehaglich“ und „eher behaglich“.

Mittlere Raumtemperaturen von 20 °C und 23 °C zeigen die besten Bewertungen, wo hingegen 23 °C im Fußbereich von den Probanden bevorzugt wird. Eine mittlere Raumtemperatur von 26 °C wird als deutliche Verschlechterung wahrgenommen [11, 12].

Diskussion und Ausblick

Die hier vorgestellten Ergebnisse wurden mit Hilfe eines hochmodularen Komfortkubus, dem Aachen Comfort Cube (ACCu) durchgeführt. Der thermische Komfort bei Quelllüftung wird für verschiedene vertikale Temperaturgradienten sowie in Abhängigkeit der mittleren Raumtemperatur aufgezeigt.

Zwei wesentliche Ergebnisse sind zu nennen. Bei einer mittleren Raumtemperatur von 23 °C wurden verschiedene vertikale Temperaturgradienten untersucht. Der angegebene Gradient ΔT/Δy entspricht dabei der geplanten Temperaturdifferenz zwischen dem Kopf- (1,1 m) und Fußbereich (0,1 m). Untersuchungen mit Temperaturgradienten zwischen ΔT/Δy = 1 K/m und ΔT/Δy = 12 K/m wurden durchgeführt. Der Anteil der Unzufriedenen steigt mit zunehmendem Temperaturgradienten näherungsweise linear an. Demnach ist eine kontinuierliche Zunahme der Unzufriedenen über dem Temperaturgradient festzustellen. Höhere vertikale Temperaturgradienten können im Vergleich zur Norm zugelassen werden, da keine exponentielle Zunahme der Unzufriedenen festzustellen ist. Ein Grund hierfür ist, dass von einzelnen Probanden höhere Temperaturgradienten besser bewertet werden als niedrigere. Dabei entspricht die Temperatur im Oberkörperbereich bei höheren Temperaturgradienten eher ihrer präferierten mittleren Raumtemperatur und wird generell bevorzugt.

Die Ergebnisse bei weiteren mittleren Temperaturen von 20 °C und 26 °C zeigen im Vergleich, dass eine Verschiebung zu kühleren Raumtemperaturen deutlich besser bewertet wird als eine Verschiebung zu wärmeren Raumtemperaturen. Die optimale Raumtemperatur liegt jedoch im Bereich von 23 °C, da hier der Effekt von kalten Füßen nicht so stark ausgeprägt ist. Als Ergebnis dieses Unterpunktes ist es für Auslegungs- und Regelungsaspekte von Quellluftsystemen sinnvoll, Lastverschiebungen hin zu kühleren mittleren Raumtempertaturen vorzunehmen. Eine abschließende Bewertung kann aber erst nach der Untersuchung weiterer vertikaler Temperaturgradienten bei einer mittleren Raumtemperatur von 20 °C und 26 °C vorgenommen werden.

Zusammenfassend ist zu nennen, dass sich die früheren Untersuchungen, die Grundlage der bisherigen Normung sind, nicht reproduzieren lassen. Des Weiteren sollte das Auslegungsdiagramm für ein Quellluftsystem um einen Abhängigkeitsparameter für verschiedene mittlere Raumtemperaturen erweitert werden.

Literatur

[1] ANSI/ASHRAE Standard 55-2013, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc. [2] DIN EN ISO 7726, Umgebungsklima Instrumente zur Messung physikalischer Größen (ISO 7726:1998), Deutsche Norm, Beuth Verlag, 2001 [3] DIN EN ISO 7730, Ergonomie der thermischen Umgebung – Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit (ISO 7730:2005), Deutsche Norm, Beuth Verlag, 2005 [4] DIN EN 60751, Industrielle Platin-Widerstandsthermometer und Platin-Temperatursensoren (IEC 60751:2008), Deutsche Norm, Beuth Verlag, 2008 [5] Fitzner, K. Partikelbewegung in Reinräumen mit laminarer und turbulenter Strömung, Problemlösungen in der Reinraumtechnik, VDI Berichte 693, Verein Deutscher Ingenieure. Düsseldorf. VDI Verlag GmbH, 1988, S. 23-38. [6] Fitzner, K. Rietschel Raumklimatechnik Band 2: Raumluft- und Raumkühltechnik, Springer Verlag, 2008. [7] Möhlenkamp M., Schmidt M., Müller D., Aufbau eines hochmodularen Prüfraumes zur Bewertung des thermischen Komforts in Raumluftströmungen, Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein VI 18 (2013) [8] Möhlenkamp M., Behrendt S., Schmidt M., Müller D., Bewertung des thermischen Komforts von Quell- und Mischlüftungskonzepten in einem hochmodularen Prüfraum, Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein VI 23 (2014) [9] Möhlenkamp M., Behrendt S., Schmidt M., Müller D., Validation of indoor air flow in a highly modular test room, Roomvent 2014 (2014), 206-213 [10] Möhlenkamp M., Schmidt M., Wick A., Gores I., Müller D., Thermal Comfort of Displacement Ventilation in Environments with Different Temperature Gradients, Healthy Buildings 2015 Europe (2015) [11] Möhlenkamp M., Schmidt M., Wick A., Gores I., Müller D., Thermischer Komfort von Quelllüftungskonzepten bei verschiedenen mittleren Raumtemperaturen, Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein VI 17 (2015) [12] Möhlenkamp M., Wesseling, M., Wick A., Gores I., Müller D., Thermal comfort of displacement ventilation in environments with different mean room temperatures, 9^th International Windsor Conference, Windsor Conference 2016, 621-631 [13] Questback, Unipark – Online Befragungssoftware für Studenten und Hochschulen, 2014 [14] Skistad, H., et al. Displacement Ventilation in Non-industrial Premises, Rehva Guidebook No 1, 2004, S.1-25. [15] Streblow, R., Thermal sensation and comfort model for inhomogeneous indoor environments, Dissertation, RWTH Aachen University, 2010 [16] Zhang, H., Human Thermal Sensation and Comfort in Transient and Non-Uniform Thermal Environments, PhD thesis, University of California, Berkeley, 2003