Thermischer Komfort im Sommer und Deckenventilatoren: Kann man unser Empfinden quantifizieren?

Schon im alten Ägypten sorgten die Diener der Pharaonen für Wärme und Behaglichkeit, indem sie die Luft mit großen Fächern, den Flabellums[i], aufwirbelten. Um 500 v. Chr. waren es die Inder, die die ersten Deckenventilatoren erfanden, die ursprünglich mit Vogelflügeln entworfen wurden. Erst 1882 und der amerikanische Erfinder Philip Diehl stellten elektrische Luftumwälzer / elektrische Deckenventilatoren zur Verfügung. Nach dieser Erfindung bleibt das Thema Energiesparen sehr lange ein Randthema. Solange man eine Luftbewegung hat und sich besser fühlt, ist es egal, wie viel Strom man verbraucht. Nach und nach werden die Decken von Räumen in tropischen und äquatorialen Zonen mit Luftumwälzern bedeckt. Aber in den gemäßigten Zonen werden Klimaanlagen noch lange bevorzugt.

Die Vorreiter der Objektivierung des Sommerkomforts: Guide Woods und Givoni

Dennoch interessierten sich Architekten und Ingenieure schon früh für den Nutzen von Deckenventilatoren, auch in gemäßigten Klimazonen.

Bereits 1952 veröffentlichten die beiden angelsächsischen Autoren W.C. Osborne und C.G. Turner einen Leitfaden, den “Woods Practical Guide to Fan Engineering” (Woods[ii]) Praktischer Leitfaden zur Lüftung), der mit einer einfachen und praktikablen Formel die Luftgeschwindigkeit und die gefühlte Temperatur in Beziehung zueinander setzte.

Das folgende Diagramm ist aus dieser Arbeit hervorgegangen, und gilt für den Sommerzeitraum bei durchschnittlicher Luftfeuchtigkeit und Bekleidung : :

Hier ist das erhaltene Ergebnis :

Abbildung 1 – Diagramm aus dem Woods Ventilation Guide

Es ist zu beachten, dass die Frage der Luftfeuchtigkeit in den gemäßigten Klimazonen mit einigen Ausnahmen nicht unbedingt entscheidend ist. In diesen Klimabändern bleibt die Luftfeuchtigkeit in den Sommermonaten insgesamt relativ niedrig. Dennoch ist es das berühmte bioklimatische Diagramm des Architekten Baruch Givoni, das ab Mitte der 1970er Jahre[iii] eine gewisse Popularität bei den Gebäudeplanern erlangte. Dieses Diagramm zeigt, dass sich die Zonen des Sommerkomforts mit zunehmender Luftgeschwindigkeit vergrößern. Seit der ersten Ölkrise rückt das Thema Energiesparen in den Mittelpunkt des Interesses. Der Bioklimatismus tritt aus seiner Isolation heraus und ist nicht mehr nur Aktivisten vorbehalten.

In den 2000er Jahren entwickelte das Ingenieurbüro Tribu eine sehr anschauliche Version des Givoni-Diagramms, die sich stärker auf die Luftgeschwindigkeit konzentriert. Es ist ein Werkzeug, das einen sehr konstruktiven Dialog mit den Bauherren erleichtert und das übrigens in einige Softwareprogramme für dynamische thermische Simulationen (DTS) integriert ist.

Die PMV/PPD-Methode: Wir sind nicht alle gleich hitzeempfindlich

Die bisherigen Ansätze haben den Vorzug, dass sie klar sind. Dennoch fehlt ihnen eine wesentliche Dimension. Wir reagieren nicht alle auf die gleiche Weise auf Hitze. Ob Mann, Frau, dünn, stark, jung oder alt – unsere persönlichen, körperlichen, kulturellen und psychologischen Eigenschaften spielen eine Rolle dabei, wie wir Hitze und Unbehagen wahrnehmen. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache entstand in den 1970er Jahren ein neuer Ansatz, der auf Umfragetechniken beruht: das Fanger-Modell oder PMV/PPD. Dieser Ansatz wurde ursprünglich mit dem Ziel der Arbeitsleistung entwickelt: Wenn es den Arbeitnehmern zu warm wird, verlieren sie an Produktivität. Dieses Modell zielt nicht darauf ab, 100 % Zufriedene zu erreichen, sondern darauf, dass es möglichst wenig Unzufriedene gibt. Von daher sollte eine Unzufriedenheitsrate von weniger als 10 % angestrebt werden. Zwei Werte werden in Beziehung zueinander gesetzt:

• PMV (Predicted Mean Vote), der den durchschnittlichen Stimmenwert einer großen Gruppe von Menschen [v] auf einer siebenstufigen Skala des Wärmeempfindens simuliert, die von +3 (sehr heiß) bis -3 (sehr kalt) reicht. Dieser Index stützt sich auf die Gleichung für den menschlichen Wärmehaushalt. Er bezieht insbesondere den Stoffwechsel, die Kleidung, die Lufttemperatur, die Wärmestrahlung, die Luftgeschwindigkeit usw. mit ein.
• PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) sagt quantitativ den Prozentsatz der Personen voraus, die unzufrieden sind, weil sie die thermische Umgebung als zu warm oder zu kalt empfinden und mit +3, +2, -2, -3… stimmen würden.

Die Beziehung zwischen PMV und PPD sieht einen Mindestprozentsatz von 5% Unzufriedenen bei einer Stimmabgabe von 0 vor (neutrale Empfindung). In der Tat bleiben bei jeder Konfiguration Unzufriedene übrig. Der Grad der Unzufriedenheit steigt natürlich, wenn sich der PMV in Richtung kalt oder warm verschiebt. Um eine insgesamt komfortable thermische Situation zu erreichen, wird empfohlen, dass der vorhersehbare Prozentsatz an Unzufriedenen (PPD) unter 10% bleibt, was einer vorhersehbaren durchschnittlichen Abstimmung zwischen -0,5 und +0,5 entspricht. Bei der Planung von realen Gebäuden wird man keine Abstimmung unter den Mitarbeitern durchführen! Die Norm ISO 7730[vi] enthält die Variablen, mit denen die Komfortbedingungen bestimmt werden können, insbesondere: Temperatur, Luftgeschwindigkeit, relative Luftfeuchtigkeit, Stoffwechsel (Intensität der körperlichen Aktivität), Art der Kleidung usw. Durch die Eingabe dieser Werte ermöglicht die Norm die Berechnung der PMV- und PPD-Werte. Das Empfinden wird nun quantifiziert.

Die adaptive Methode: Unser Körper passt sich an die Hitze an

Abgesehen von unserer eigenen Reaktion auf Hitze hat unser Körper eine Anpassungsfähigkeit. Ein plötzlicher Temperaturanstieg oder -abfall ist für den menschlichen Körper schwer zu verkraften. Ein allmählicher Anstieg der Temperatur wird dagegen besser akzeptiert. Aus dieser Erkenntnis heraus entstand die adaptive Methode, die auch in den meisten international anerkannten Standards verwendet wird. Sie berücksichtigt die Veränderungen der klimatischen Bedingungen über sieben gleitende Tage. Die adaptive Methode zeichnet sich also dadurch aus, dass sie eine dynamische Methode ist, während die PMV/PPD-Methode durch einen statischen Ansatz gekennzeichnet ist. Für das RE 2020 wurde die adaptive Methode gewählt. Die RE2020-Engine führt nämlich eine dynamische Energieberechnung durch, die es ermöglicht, die allmähliche Anpassung des menschlichen Körpers an Hitzewellen zu berücksichtigen.

Welches Werkzeug sollte man heute verwenden, um die thermische Behaglichkeit einzuschätzen?

“Perfektion ist ein Weg, nicht das Ende”, lautet ein koreanisches Sprichwort. Auf diesem Weg[vii] steht uns ein besonders ergonomisches und relevantes Werkzeug zur Verfügung: das vom Zentrum für die bebaute Umwelt an der Universität Berkeley in Kalifornien entwickelte Werkzeug.. Dieses Tool ist doppelt vorteilhaft: Es ermöglicht die Visualisierung der Komfortzonen mit der bislang relevantesten Norm, der amerikanischen ASHRAE 55-2020 einerseits und der in der EU geltenden Norm, der EN-16798, andererseits. Mit einer sehr überschaubaren Anzahl von Eingabeparametern erhält man eine sehr ausgefeilte Darstellung des Sommerkomforts[viii].

Wie wird der US-amerikanische Standard ASHRAE-55 verwendet?

Wenn man die Berkeley-Website aufruft, gelangt man direkt zur Registerkarte ASHRAE-55. Nun müssen Sie nur noch die Eingabedaten eingeben.

Gehen wir nun die Einstellungen für ASHRAE-55[ix]durch.

• Methode: Es gibt zwei mögliche Ansätze, die PMV-Methode und die adaptive Methode. Die PMV-Methode eignet sich für klimatisierte Gebäude[x] (mit zusätzlicher Verwendung von Luftumwälzern / Deckenventilatoren). Diese statische Methode funktioniert gut in einer konstanten Atmosphäre, in der die Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen stabil bleiben. Die adaptive, dynamische Methode berücksichtigt die Anpassung des Körpers an die Temperatur und sollte in nicht klimatisierten Räumen bevorzugt werden.
• Betriebstemperatur: Diese Temperatur wird auch als Betriebstemperatur bezeichnet und stellt einen Mittelwert aus Luft- und Wandtemperatur dar. Beachten Sie, dass schlecht isolierte Wände Wärme abstrahlen können (z. B. eine nach Westen ausgerichtete Wand am Nachmittag) und dass diese Wärme Unbehagen auslösen kann. Es ist auch zu beachten, dass Luftumwälzer mit einem großen Einflussbereich einen positiven Effekt haben werden, indem sie die Luft- und Wandtemperaturen ausgleichen. Der Wert, den Sie eingeben müssen, entspricht Ihrer Zieltemperatur.
• Luftgeschwindigkeit: Der Wert ist in m/s einzugeben. Sie können entweder eine durchschnittliche Geschwindigkeit im Raum oder eine durchschnittliche Luftgeschwindigkeit, die im Aufenthaltsbereich erreicht wird, verwenden.
• Relative Luftfeuchtigkeit: Im Sommer kann man sie in der Regel bei 50% belassen.
• Stoffwechselrate: Für Belegungssituationen in Wohnungen oder Büros scheint ein Wert von 1,0 allgemein angemessen zu sein. Zu beachten ist, dass Situationen mit reduziertem Stoffwechsel (Liegen, Schlafen) zwar berechnet werden können, aber aus dem Rahmen der Norm fallen.
• Kleidungsniveau: In den USA findet man häufig sommerliche Kleidung wie einen dreiteiligen Anzug mit langen Ärmeln und einer Klimaanlage, die auf 19 °C eingestellt ist. In Europa ist es aber glücklicherweise üblicher, sich etwas leichter zu kleiden (0,36-0,57).
• Berechnungsmethode: Wir empfehlen “Psychrometrisch (Betriebstemperatur)”.

Ebenfalls in ASHRAE-55 werden die folgenden Elemente genannt, die bei der adaptiven Methode zu berücksichtigen sind, wobei darauf hingewiesen wird, dass diese Methode für Standorte ohne Klimaanlage geeignet ist

• Betriebstemperatur: Allgemein die Betriebstemperatur wählen
• Dominierende durchschnittliche Außentemperatur: Wenn man nicht gerade typische Systeme wie adiabatische Kühlung[xi] hat, scheint es logisch, die gleiche Grundlage wie die Betriebstemperatur zu nehmen.

Die Geschwindigkeit der Luft. Dies ist der Schwachpunkt der adaptiven Methode, da sie weniger genau ist als die PMV-Methode. Es gibt 4 mögliche Werte in m/s: 0,3; 0,6; 0,9 und 1,2. Beachten Sie, dass eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 1,2 m/s über den gesamten Körper mit einem Deckenventilator eher selten erreicht wird.

Wie wird die Europäische Norm EN-16 798 verwendet?

Ebenfalls auf derselben Seite, wechseln Sie einfach die Registerkarte.

Die einzugebenden Parameter sind genau dieselben wie bei ASHRAE-55 in der PMV-Methode. Sie müssen nur das Kästchen: “Betriebstemperatur verwenden” ankreuzen. Grafisch gesehen hat man bei ASHRAE-55 einen breiten blauen Bereich, während sich die Anwendung der europäischen Norm in mehreren parallelen grünen Streifen niederschlägt, wobei der waldgrüne Streifen die Zone des optimalen Komforts darstellt. Es ist jedoch zu beachten, dass bei hohen Temperaturen (≥ 30°C) leichte Sommerkleidung gewählt werden muss, bevor man versucht, die Luftgeschwindigkeit zu erhöhen. Wie man an der obigen Grafik erkennen kann, ist es in der Tat viel einfacher, den Rahmen der EN 16798 zu verlassen als den der ASHRAE-55.

Bei der adaptiven Methode nach EN 16798 sind folgende Elemente zu berücksichtigen, wobei zu beachten ist, dass diese Methode für Standorte ohne Klimaanlage geeignet ist

• Betriebstemperatur: Normalerweise Betriebstemperatur verwenden
• Dominierende durchschnittliche Außentemperatur: Sofern Sie keine typischen Systeme wie adiabatische Kühlung haben, scheint es logisch, die gleiche Grundlage wie die Betriebstemperatur zu nehmen.
• Geschwindigkeit der Luft. Die Auswahlpalette ist noch ärmer als bei ASHRAE-55, da wir nicht den Wert 0,3 m/s haben, sondern nur einen Wert “unter 0,6 m/s”. Danach finden sich die gleichen Schritte von 0,3 m/s, darunter auch der Schritt, der 1,2 m/s entspricht und der uns im Feld im Durchschnitt über den ganzen Körper schwer zu erreichen scheint…

Quantifizierung von Gefühlen – wozu?

Eine solche Quantifizierung ist seit Mitte des letzten Jahrhunderts durchaus möglich, auch wenn sie heute Fortschritte macht. Man muss die Qualität der von der Universität Berkeley entwickelten Schnittstelle loben, die eine recht komfortable Nutzung eines Instruments ermöglicht, das auf den neuesten physiologischen und psychologischen Erkenntnissen beruht[xii]. Mit diesen Elementen verfügen die Planer über einen wichtigen Baustein, um die richtige Dimensionierung von Deckenventilatoren zu verbessern und die Nutzer der Räume, in denen sie eingesetzt werden, besser zufrieden zu stellen.

[i] Flabellums werden allmählich zu einem reinen Symbol für die Manifestation von Macht. So wird Frische mit Macht verbunden! [ii] Der französische Titel ist weiter gefasst als der englische, da letzterer den Eindruck erweckt, es gehe nur um die Technik von Ventilatoren. In Wirklichkeit befasst sich der Leitfaden jedoch umfassender mit der Lüftung. Der Herausgeber des Buches ist ein Unternehmen, das Motoren und Propeller herstellt und heute Woods Air Movementheißt. [iii] Eine ausführlichere Geschichte des bioklimatischen Bauens finden Sie in der Dissertation von Clément Gaillard, « Moduler le climat: genèse, développement et significations de la conception bioclimatique en architecture (1947-1986); (Das Klima modulieren: Entstehung, Entwicklung und Bedeutung des bioklimatischen Designs in der Architektur (1947-1986) » [iv] Das Givoni-Diagramm oder “Klimagramm”, zeigt die Grenzen der thermischen Komfortzone (rosa), der Einflusszone der Belüftung bei 0,5m/s (VV’ orange), der thermischen Trägheit (MM’ grün), der Einflusszone der Verdunstungskühlung (EC und EC’ grau) und der Nicht-Heizungszone durch passives Solar-Design (H und H’ gelb). Diese Elemente stammen aus der Publikation “le diagramme bioclimatique du bâtiment” von Jean-Louis IZARD und Olivier KACALA, die auf der EnviroBOITE verfügbar ist. [v] Die Kalibrierung erfolgte auf der Grundlage von experimentellen Studien mit fast 1300 Probanden in Klimakammern. [vi] ISO-Norm 7730 :2005 “Ergonomie der thermischen Umgebung – Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung der Indizes PMV und PPD und durch Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit”. [vii] Für diejenigen, die eine qualitativ hochwertige Geschichte zum Thema Sommerkomfort in Gebäuden haben möchten, empfehlen wir Folgendes den Leitfaden des ICEB und der ARENE Ile de France zum passiven Sommerkomfort. [viii] Man kann dieses Tool mit Browsern verwenden, die die Übersetzung ins Deutsche sicherstellen, wie z. B. Chrome, was eine angenehm zu bedienende Oberfläche bietet. [ix] Das Dropdown-Menü “Lokale Kontrolle” hat derzeit keine Auswirkungen auf die Berechnung. [x] Weitere Einzelheiten finden Sie im Artikel über thermischen Komfort von EnergiePlus [xi] Die adiabatische Kühlung, die auch als Verdunstungskühlung bezeichnet wird, beruht auf dem Prinzip, dass warme, trockene Luft, die befeuchtet wird, ihre Temperatur senkt. Um zu verdampfen, nimmt das Wasser Energie und damit Wärme auf. [xii] Grund zur Freude: Auf nationaler Ebene wird der Abschlussbericht des von der ADEME finanzierten Programms BRASSE im Laufe des Jahres 2023 veröffentlicht. Das Programm wird dazu beitragen, die Luftgeschwindigkeit von Deckenventilatoren besser zu bestimmen. An dem Programm sind sechs Haupteinrichtungen beteiligt: Surya consultants, das Laboratoire Piment der Université de La Réunion, EnvirobatBDM, das Laboratoire Eiffel, das LASA (Akustik) und das ISEA (Sozialwissenschaften).