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Thermischer Komfort

Mit der Zusammensetzung der einzelnen Bauteile zu einem Ganzen, dem Gebäude, entstehen neue physikalische Zusammenhänge und sind weitere Bedingungen zu gestalten, etwa jene des generellen thermischen Komforts, der Energieeffizienz, des Schutzes vor sommerlicher Überwärmung, der Ausführung einer wärmebrückenarmen und luftdichten Gebäudehülle oder des Schallschutzes.

Als thermischer Komfort wird ein Zusammenspiel aus Umgebungsbedingungen, Kleidung und auch psychosozialen Randbedingungen verstanden, die zur Zufriedenheit mit dem persönlichen Wärmehaushalt führen. Thermischer Komfort ist demnach eine zutiefst subjektive Qualität, die aber doch auf physikalischen und biologischen Gesetzmäßigkeiten beruht, die es erlauben, allgemeine Gestaltungsregeln für Gebäude abzuleiten.

Die biologisch-physiologische Grundlage thermischen Komforts ist der Wärmehaushalt des Menschen. Zentrale Organe des menschlichen Körpers, insbesondere das Gehirn, sind nur in einem engen Temperaturbereich rund um 37 °C funktionsfähig. Mittels eines hoch entwickelten Temperaturregelsystems hält der Körper diese Temperaturen über einen weiten Bereich von Außenbedingungen aufrecht. Außerdem wird vom menschlichen Körper laufend Wärme produziert und muss kontinuierlich abgeführt werden. Die Größe dieser abzuführenden Wärmeleistung ist untrennbar mit dem Maß des physiologischen Stoffumsatzes und in weitem Umfang mit der körperlichen Tätigkeit verbunden. Die Gestaltung der Umweltbedingungen beeinflusst, ob diese Wärmeabfuhr subjektiv als komfortabel oder als unkomfortabel erlebt wird.

Mechanismen der menschlichen Wärmeabgabe

Der Wärmeaustausch zwischen dem menschlichen Körper und seiner Umgebung erfolgt über die Mechanismen der Wärmeleitung, der Konvektion, der Wärmestrahlung, der Wasserverdunstung auf der Haut und der Atmung (Erwärmung und Befeuchtung der Atemluft). Zur anteiligen Verteilung dieser Komponenten gibt es die als Summenkurven zu interpretierenden Anhaltswerte (Abbildung 4-01), sie gelten für einen sitzenden, ansonsten ruhenden Menschen in normaler Zimmerbekleidung. Gut erkennbar ist die Wärmeleistung, die korrelierend mit der Tätigkeit vom Körper über weite Bereiche der Umgebungstemperatur aufrecht gehalten wird.

 

Abbildung 4-01: Wärmeabgabe des Menschen über der Lufttemperatur
Abbildung 4-01: Wärmeabgabe des Menschen über der Lufttemperatur

 

Definition thermischer Komfortmodelle

Thermische Behaglichkeit ist in der europäischen Bauforschung und Bauwerksnormung beschrieben in der ÖNORM EN ISO 7730. Basierend auf den Forschungsarbeiten von insbesondere Prof. Ole Fanger wird dort ein theoretisch abgeleitetes und empirisch abgesichertes Modell des allgemeinen thermischen Komforts sowie lokaler Komfortparameter aufgestellt. Dieses Modell beruht auf der Idee, dass thermischer Komfort jedenfalls eine ausgeglichene Wärmebilanz des Körpers voraussetzt, dass gleichzeitig die Hauttemperatur und die Schweißbedeckung der Haut in bestimmten, als komfortabel empfundenen, Grenzen zu halten sind und dass schließlich keine Einflüsse lokaler Unbehaglichkeit vorliegen dürfen. Als Maßzahlen des allgemeinen Komforts wird der PMV (Predicted Mean Vote) eingeführt, eine dimensionslose Zahl zwischen -3 (kalt) über 0 (neutral) bis +3 (heiß). Aus diesem abgeleitet wird die Maßzahl des PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied). Zielwerte thermischen Komforts werden nach diesem Modell häufig mit PMV ≤±0,5 und PPD ≤10 % angestrebt.

 

Komfortbeschreibung mit PMV und PPD
Abbildung 4-02: Komfortbeschreibung mit PMV und PPD 

 

Einflussgrößen des thermischen Komforts

Als primäre Einflussgrößen auf den thermischen Komfort gelten im Bereich der Gebäudephysik

  • die Lufttemperatur,
  • die Temperatur der Umschließungsflächen (Strahlungstemperatur),
  • die Luftbewegung,
  • die relative Luftfeuchte,
  • der Tätigkeitsgrad und
  • die Kleidung.

Zwischen diesen bestehen enge Wechselwirkungen. Etwa wird Temperatur über weite Grenzen als der Mittelwert von Luft- und Strahlungstemperatur wahrgenommen, was mit der abgeleiteten Größe der operativen Temperatur beschrieben wird.

Neben diesen primären Faktoren bestehen weitere Einflussgrößen auf das Komfortempfinden, wie etwa Konstitution, körperliche Verfassung, Alter, Geschlecht, ethnische Einflüsse, Nahrungsaufnahme, die naturgemäß von normativen Festlegungen nicht berücksichtigt werden.

Anforderungen an den thermischen Komfort

Anforderungen an den thermischen Komfort sind in der bereits erwähnten ÖNORM ISO 7730 wie folgt festgelegt und sind in weiten Teilen so in die österreichische Allgemeine Arbeitnehmerschutzverordnung übernommen.

  • Bereich der operativen Raumtemperatur (empfundene Temperatur) im Winter (22 ±2 °C), im Sommer (24,5 ±1,5 °C)
  • Obergrenze der Luftgeschwindigkeit im Bereich zwischen ~0,12 m/s und ~0,30 m/s in Abhängigkeit von Lufttemperatur und Turbulenzgrad
  • Obergrenze des vertikalen Lufttemperaturgradients zwischen Knöchelhöhe und Kopfhöhe kleiner als 3 K
  • Oberflächentemperatur des Fußbodens zwischen 19 °C und 26 °C; Auslegung von Fußbodenheizungen bis 29 °C Fußbodentemperatur
  • Abweichung der Strahlungstemperatur von kalten, senkrechten Flächen (z. B. Fenstern) von der sonstigen Strahlungstemperatur kleiner 10 K
  • Abweichung der Strahlungstemperatur von warmen Decken von der sonstigen Strahlungstemperatur kleiner 5 K
  • Relative Feuchte im Bereich 30 bis 70 %

Für nicht klimatisierte Gebäude, in denen die Nutzer außerdem individuelle Möglichkeiten der Reaktion haben, wie Zugriff auf öffenbare Fenster, Zugriff auf den Sonnenschutz und Ähnliches, sind in ÖNORM EN 15251 [240] die Komfortbereiche der operativen Raumtemperatur in Wechselwirkung zu einem gleitenden Mittelwert der Außentemperatur beschrieben.

Es ergeben sich für die mittlere Kategorie II (normales Maß an Erwartungen, empfohlen für neue und renovierte Gebäude) die folgenden oberen und unteren Grenzwerte der operativen Raumtemperatur:

 

(4-01)
Formel (4-01)

 

Innentemperaturen für Gebäude ohne maschinelle Kühlung — ÖNORM EN 15251
Abbildung 4-03: Zulässige Innentemperaturen für Gebäude ohne maschinelle Kühlung — ÖNORM EN 15251

 

Berechnung und Nachweis des thermischen Komforts

Die Erreichung thermischer Komfortparameter, sowohl die klassischen wie PMV und PPD als auch die erweiterten des adaptiven Komforts, werden planungsbegleitend berechnet mittels dynamischer thermischer Gebäudesimulation, wofür insbesondere ÖNORM EN 15251 wesentliche Eingangs- und Bewertungsparameter zur Verfügung stellt.

PMV und PPD können entsprechend ihres Charakters als statische Größen auch mit dem Formelzusammenhang laut ÖNORM ISO 7730 aus den sechs Komfortparametern Lufttemperatur, Strahlungstemperatur, Luftgeschwindigkeit, Luftfeuchte, Tätigkeitsgrad und Kleidung errechnet werden. Geeignete Software dafür ist verfügbar.

In klimatisierten Gebäuden schließlich wird die Erreichung der Komfortparameter häufig nicht simuliert, sondern wird mittels einer Auslegung der klimatechnischen Komponenten auf normgerecht extreme Auslegungsbedingungen, etwa mittels Heiz- und Kühllastberechnung, sichergestellt. Für den Nachweis der Vermeidung sommerlicher Überwärmung ohne mechanische Kühlung bestehen in Österreich eigene Rechenverfahren (siehe Vermeidung sommerlicher Überwärmung).

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