V5.1_Hygiene

5
5. Energiedienstleistungen - Energierelevante Ansprüche
5.1 Hygienische Grundlagen - Thermische Behaglichkeit
5.11 Energieumsatz
5.12 Körpertemperatur
5.13 Regelung der Körpertemperatur
5.14 Energieumsatz und Wärmeabgabe
5.15 Behaglichkeit
5.151 Was ist Behaglichkeit
5.152 Raumzustände optimaler Behaglichkeit
5.153 Statistik der Temperaturempfindung:
PMV = projected mean vote
PPD = projected percentage of dissatified
5.2 Feuchte (Tauwasser -Luftfeuchte)
5.3 Warmwasserverbräuche
5.4 Strom-Dienstleistungen, Licht
5.1
Hygienische Grundlagen
• Der Mensch als Lebewesen muß zur Aufrechterhaltung seines Lebens
Energie umsetzen (Energieumsatz).
• Als Warmblütler arbeitet sein Organismus nur in einem engen
Temperaturbereich.
• Die optimale innere Temperatur wird durch physiologische Regelung
aufrecht erhalten.
• Außerhalb des internen Regelbereiches muss durch äußere Maßnahmen
der Arbeitsbereich der internen physiologischen Regelung wieder zurück
gewonnen werden. (Kleidung, Heizung, Klimatisierung)
Literatur:
Gesamtdarstellung oder Lehrbuch (e.g.) :
/Thews e.a. 89/
Thews G., Mutschler, E. und Vaupel, P.:
Anatomie Physiologie Pathophysiologie des Menschen
Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart 1989, 3.Aufl., ISBN 3-8047-1013-1
„14. Energie und Wärmehaushalt, Arbeitsphysiologie“ (p. 363-377)
/Birbaumer-Schmidt 91/ Birbaumer N. und Schmidt R.F.: Biologische Psychologie,
Springer-Verlag, Berlin 1990, ISBN 3-540-15437-X
„7. Bioenergetik, Wärmehaushalt, Temperaturregulation “ (S.110-122)
von Ingenieuren:
/Rietschel 94/
Rietschel H. und Esdorn H. : Raumklimatechnik - I. Grundlagen
Springer-Verlag, Berlin 1994, ISBN 3-540-54466-6
/Recknagel e.a. 01/
„ C : Mensch und Raumklima“ (p. 125-176), von P.O. Fanger
Recknagel H., Sprenger E. und Schramek E.R. :
Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik -01/02
Oldenbourg, München 2001, 70.Aufl., ISBN 3-486-26450-8
„ 1.2 Hygienische Grundlagen“ (p. 46-89)
/Glück 97/
/Glück 99/
Glück, Bernd: Wärmetechnisches Raummodell - gekoppelte Berechnungen und
wärmehysiologische Untersuchungen, C.F. Müller,
ISBN 3-7880-7615-1
Glück, Bernd: Thermische Bauteilaktivierung. Kapitel 1
5.11
1. Energieumsatz
Energie Umsatzgrößen
- der lebenden Zelle
- des Gesamtorganismus
Grundumsatz
Arbeitsumsatz
Energie - Umsatzgrößen der lebenden Zelle:
100 = Tätigkeits Umsatz
50= Bereitschafts Umsatz
Erhaltungs Umsatz =15
Abb. 7-2A : Funktionseinschränkungen von Körperzellen bei Sauerstoff- oder Nahrungsmangel.
Bemerkung: Es gibt jedoch auch andauernd aktive Zellen, z.B. Herzmuskel, Atemmuskulatur.
Ebenso sind Gehirn, Leber und Nieren auch bei Körperruhe tätig. Daher ist der Energieumsatz
eines ruhenden Organismus nicht gleich der Summe der Bereitschaftsumsätze aller Zellen,
Quelle: nach / Birbaumer-Schmidt 91 :Biologische Psychologie, Abb.7-2A, p.112 /
Energie - Umsatzgrößen des Gesamtorganismus:
_ 60 [W /m2]
_ 50 [W /m2]
_ 40 [W /m2]
_ 33 [W /m2]
Abb. 7-2B : Spezifischer Grundumsatz , bezogen auf 1 m2 Körperoberfläche, in [W/m^2],
als Funktion des Lebensalters. Bei Männern und Frauen .
Bem: Man beachte den ausgeprägten Rückgang des Grundumsatzes nach Abschluss des Wachstums.
Dem sollte durch Änderung der Essgewohnheiten Rechnung getragen werden.
Quelle: nach / Birbaumer-Schmidt 91 :Biologische Psychologie, Abb.7-2B, p.112 /
Grundumsatz
•Grundumsatz =
Ruheumsatz unter definierten Randbedingungen
und zwar:
1. morgens
2. liegend in Ruhe
3. nüchtern
4. bei normaler Körpertemperatur, ohne zu frieren oder zu schwitzen
denn auf den Energieumsatz haben Einfluss:
1. Tagezyklische Schwankungen (Anstieg am Vormittag, Abfall während der Nacht)
2. Körperlicher oder geistiger Tätigkeit.
3. Verdauungstätigkeit und anschließende Stoffwechselprozesse steigern Energieumsatz.
4. Kalte Umgebung führt zu Muskelzittern
In zu warmer Umgebung benötigt die aktive Wärmeabfuhr zusätzliche Energie
wg. Schwitzen und vermehrter Kreislaufleistung durch vermehrte Hautdurchblutung.
Fieber führt infolge von Stoffwechselsteigerung zu einer Energie-Umsatzsteigerung
von 14% pro K Temperaturanstieg.
Quelle: nach / Birbaumer-Schmidt 91 :Biologische Psychologie, p.113 /
/Thews e.a. 89, p.364ff/
Arbeitsumsatz
Mittlere Werte des Energie-Umsatzes unter typischen Bedingungen
Männer (70kg)
[kcal/Tag]
[W]
Grundumsatz
1700
82
Ruheumsatz
2000
97
Freizeitumsatz
2300
111
2400
116
[ kJ/Tag]
[ W]
7100 82
8400 97
9600 111
10100 117
leichte Arbeit
*
* [kcal/Tag]
Frauen (60kg)
[W]
[ kJ/Tag]
[ W]
102
6300
7300
8400
8800
73
84
97
102
2600
126
10900
126
3100
150
13000
150
3600
174
15100
175
*
1500
73
*
1750
85
*
2000
97
*
2100
*
3000
145
12600 146
mittelschwere Arbeit
*
*
3600
174
15100 175
schwere Arbeit
*
*
4200
203
17600 204
sehr schwere Arbeit
*
*
4800
232
20100 233
*
Bem: Arbeitsumsatz (=Leistungszuschlag) ..= nur der über den Freizeitumsatz hinausgehende,
für die körperliche Arbeit benötigte Energieumsatz.
Quelle: nach /Thews e.a. 89, Tab 14-3, p.366/
5.12
2. Körpertemperatur
Kern- und Schalentemperatur
37 °C = Sollwert der Kerntemperatur
33 °C = mittlere Hauttemperatur
( unbekleidet und bei
behaglcher Umgebungstemperatur)
Die Grenze zwischen Kern und Schale ist variabel:
In warmer Umgebung (B) steigt auch in großen
Bereichen der poikilothermen Körperschale die
Temperatur auf die des Kerns an.
(Nach Aschoff u. Wever 1958 [16])
Quelle: / Birbaumer-Schmidt 91 :Biologische Psychologie, Abb.7-4, p.115 /
Abb.7-4. Kern- und Schalentemperatur des menschlichen Körpers.
Dargestellt sind die Isothermen in kalter (A) und in warmer Umgebung (B). Sie geben ein Abbild des
Temperaturfeldes des menschlichen Körpers unter diesen Umgebungsbedingungen.
Der homöotherme Körperkern (rot in A) wird im wesentlichen vom Brust und Bauchraum sowie dem
Schädelinneren gebildet.
Zur poikilothermen Körperschale gehören die Haut und die Extremitäten.
Quelle: nach / Birbaumer-Schmidt 91 :Biologische Psychologie, Abb.t-4p.115 /
/Thews e.a. 89, p.366 ff/
Wärmeabgabe und Schwankungen der Körpertemperatur
_Rectaltemperatur
_Hauttemperatur
Wärmebildung (roter Kurvenzug) und
Wärmeabgabe (graue Säulen) in Ruhe und bei Arbeit
Die Abgabe der durch Arbeit erzeugten Wärme erfolgt überwiegend durch die Schweißverdunstung (Evaporation) von
der Hautoberfläche. (oberer Teil der Säulen).Dadurch fällt
die Hauttemperatur bei Arbeit (trotz Anstieges der Rectaltemperatur) unter ihren Wert in Ruhe.
Mittlerer Teil der Säulen: Wärmeabgabe durch Konvektion
Untere Teil der Säulen: Wärmeabgabe durch Strahlung
Abb.7-5. Körpertemperaturen und Wärmeabgabe (graue Säulen) in Ruhe und bei Arbeit
(Nach E. F. DuBois 1937 aus Brück in [12])
Quelle: / Birbaumer-Schmidt 91 :Biologische Psychologie, Abb.7-5,p.117 /
Evaporation
1. Perspiratio insensibilis
Etwas Wasser diffundiert immer durch die Haut und verdunstet dort.
Kühlung durch Verdunstungswärme 2500 [kJ/kg].
Anteil an der Wärmeabgabe in Ruhe und unter Normalbedingungen:
ca. 20% (siehe Bild 7-5, Säule links : 19%)
Auch extraglanduläre Wärmeabgabe genannt (d.h. ohne Schweißdrüse)
2. Glanduläre Wärmeabgabe
Bei Arbeit übernimmt die Schweißsekretion einen Großteil der nun
erhöhten Wärmeabgabe (Schwitzen).
(siehe rechte Säulen in Bild 7-5)
Bei Umgebungstemperaturen oberhalb der Körpertemperatur
(Hochsommer, Tropen) erfolgt Wärmeabgabe nur noch evaporativ.
Quelle: nach / Birbaumer-Schmidt 91 :Biologische Psychologie, p.117 /
5.13
3. Regelung der Körpertemperatur
Hohe Anforderungen an die Thermoregulation:
• Der Mensch ist über viele Klimazonen verbreitet
Starke geographische, tägliche und jahreszeitliche Klimaschwankungen
in Europa:
auf Südhalbkugel:
10°C Isolinie reicht bis ca. 60° N
0°C Isolinie
bei ca. 60°S
• Wichtige zentrale Organe des Menschen, insbesondere sein Gehirn, sind nur
in einem engen Bereich um 37°C funktionsfähig .
• Effektives Temperaturregelsystem erforderlich :
tropische Wärme, Polarkälte, Sauna-Eisbäder,
Plötzlicher Leistungsanstieg um Faktor 10 ist zu verkraften !
Literatur: e.g. P.O. Fanger „ C : Mensch und Raumklima“ , in /Rietschel 94/, p. 126-127)
Temperatur Hardware des Menschen
Regler : das Temperaturzentrum
Das Temperaturkontrollzentrum des Menschen befindet sich im Hypothalamus
(am Boden des Mittelhirns)
Fühler: Thermorezeptoren
Zentrale und periphere Rezeptoren (Temperaturfühler) reagieren auf
Temperaturniveau und
Temperaturänderung
Diese spezialisierten Nervenzellen senden elektrische Signale an Steuerzentrum
Stellglieder
1. Verhaltensänderung
(Ortswechsel, Bekleidungsänderung usw. )
2. Physiologische Reaktionen
P.O. Fanger „ C : Mensch und Raumklima“ , in /Rietschel 94/, p. 126-127)
Physiologische Reaktionen auf Temperaturstress:
Bei ansteigender Körpertemperatur
Gefäßerweiterung: (Vasodilatation)
Blutfluss in der Körperschale wird verstärkt.
Dadurch stärkere Wärmeabgabe über wärmere Haut
Schwitzen
Etwa 2 Millionen Schweißdrüsen, verteilt über ca. 1.8 m2 Hautfläche produzieren
im Bedarfsfall und besonders nach Adaptation
weit über 1 Liter Schweiß pro Stunde.
Bei fallender Körpertemperatur
Gefäßverengung: (Vasokonstriktion)
Blutfluss in der Körperschale wird vermindert, Hauttemperatur sinkt.
Dadurch geringere Wärmeabgabe.
Kühleres Blut gelangt in Arme und Beine
durch Bypass- und Wärmeaustauschmechanismen im peripheren Blutkreislauf.
(stärkere thermische Kopplung zwischen venösem und arteriellem System, Gegenstrom-Wüt)
Muskelspannung, Kältezittern
P.O. Fanger „ C : Mensch und Raumklima“ , in /Rietschel 94/, p. 127)
Bekleidung:
Bekleidung als Wärmewiderstand zwischen Haut und Umgebung :
In die Berechnung geht die gesamte bekleidete und unbekleidete Körperoberfläche ein.
Flächenbezogener Wärmewiderstand wird gemessen in [m2K / W]
Zur Veranschaulichung dient die Bezugsgröße :
1 clo = 0.155 [m2K / W]
unbekleidete Person: 0 clo
typische Innenraumbekleidung:
im Sommer: 0,5 clo
im Winter: 1,0 clo
Bemerkung: Wärmeleitwert 1/(1 clo) = ca. 6.5 [W/m2K]
Messung des Wärmewiderstandes von Bekleidung durch
Thermal Mannequin
einer beheizten Puppe mit den Abmessungen eines Menschen .
Es existieren umfangreiche Messungen für Muster-Bekleidungen
P.O. Fanger „ C : Mensch und Raumklima“ , in /Rietschel 94/, p. 128)
Wärmeleitwiderstände typischer Bekleidungskombinationen
Bekleidung:
Oberflachenverhaltnis fcl = bekleidete Körperoberfläche / Oberfläche des unbekleideten Körpers
, Warmeleitwiderstand bezogen [clo], absolut [m2 K / W]
Unterhose, T-Shirt, Shorts, leichte Strümpfe, Sandalen :
1,10 0,30 0,050
Slip, Unterkleid, Strumpfhose, leichtes Kleid mit Ärmeln, Sandalen: 1,15 0,45 0,070
Unterhose, Hemd mit kurzen Ärmeln, leichte - Hose, leichte Socken, Sandalen: 1,15 0,50 0,080
Slip, Strumpfhose, Bluse mit kurzen Ärmeln, Rock, Sandalen: 1,25 0,55 0,085
Unterhose, Hemd, leichte Hose, Socken, Schuhe 1,20 0,60 0,095
Slip, Unterkleid, Strumpfhose, Kleid, Schuhe: 1,20 0,70 0,105
Unterhose, Hemd, Hose, Socken, Schuhe:
1,20 0,70 0,110
Unterhose, J ogginganzug, lange Socken, Sport schuhe : 1,20 0,75 0, 115
Slip, Unterkleid, Bluse, Rock, dicke Kniestrümpfe:
1,30 0,80 0,120
Schuhe Slip, Bluse, Rock, kragenloser Pullover, dicke Kniestrümpfe, Schuhe:
1,30 0,90 0,140
Unterhose, Unterhemd mit kurzen Ärmeln, Hemd, Hose, Pullover mit V-Ausschnitt, Socken, Schuhe: 1,25 0,95 0,145
Unterhose, Hemd, Hose, Jacke, Socken, Schuhe : 1,30 1,00 0,155
Slip, Strumpfhose, Bluse, Rock, Weste, Jacke
Slip, Strumpfhose, Bluse, langer Rock, Jacke, Schuhe :
1,35 1,00 0,155
1,45 1,10 0,170
Unterhose, ~hemd mit kurzen Ärmeln, Hemd, Hose, Jacke, Socken, Schuhe : 1,35 1,10 0,170
Unterhose, Unterhemd mit kurzen Ärmeln Hemd, Hose, Weste, Jacke, Socken, Schuhe:
1,35 1,15 0,180
Lange Unterwasche, Hemd, Hose, Pullover mit V-Ausschnitt, Jacke, Socken, Schuhe:
1,35 1,30 0,200
Kurze Unterwasche, Hemd, Hose, Weste, Jacke, Mantel, Socken, Schuhe :
P.O. Fanger „ C : Mensch und Raumklima“ , in /Rietschel 94/, Tabelle C2-2., p. 129
1,50 1,50 0,230
5.14
4. Energieumsatz und Wärmeabgabe
Bruttoenergieumsatz des Menschen wird auf Körperoberfläche bezogen.
NormalMensch:
Masse = 70 kg ;
Höhe = 1,73 [m] ;
Oberfläche = 1.8 [ m2 ]
Grundumsatz im Ruhefall = 45 - 50 [ W /m2 ]
Relatives Maß
für die aus dem Stoffwechsel sich ergebende mittlere Wärmestromdichte :
M = Metabolic Rate = [met] :
1 met = 58.2 [ W/ m2]
Quelle: ISO 7730; e.g. Bernd Glück: „Thermische Bautelaktivierung“, C.F.Müller Verlag 1999; p.9
Typische Aktivitäten und Energieumsatz :
Bruttoenergieumsatz als
Wärmestromdichte
[ W/ m 2 ]
[met ]
Sitzen ruhig
58
1
Tätigkeit im Sitzen ( Büro, Schule)
70
1,2
93
1,6
116
2
Aktivität
Leichte Tätigkeit im Stehen
(Shopping, Laboratorium,
LeichtIndustrie)
Mittlere Tätigkeit im Stehen
(Verkäufer, Hausarbeit,
Maschinenarbeit)
Aktivitäten und Energieumsatz in W/m2 bzw. in met ( 58,2 W/ m2 = 1 met)
nach ISO 7730 (Entwurf, 1994)
Quelle: e.g. Bernd Glück: „Thermische Bautelaktivierung“, C.F.Müller Verlag 1999; p.9,Tabelle 3.1 ;
EnergieUmsatz.xls
5.15
5. Behaglichkeit
P.O. Fanger „ C : Mensch und Raumklima“ , in /Rietschel 94/, p. 129 ff
5.151
Was ist Behaglichkeit:
1. Globale Energiebilanz muss erfüllt sein.
Nicht zu warm, nicht zu kühl.
Stoffwechselwärme muss nach außen abgeführt werden können
2. Hinzu kommen noch einige partikuläre Behaglichkeitsbedingungen:
• geringe beeinträchtigung durch Zugluft
• geringe Strahlungsasymmetrie
3. Zur Behaglichkeit gehört auch eine „angenehme“ Aufteilung der Wärmeabgabe
auf die einzelnen WärmeabgabeMechanismen (Verdunsten,Konvektion und Strahlung).
Quelle: e.g. Bernd Glück: „Thermische Bauteilaktivierung“, C.F.Müller Verlag 1999; p.8
Aufteilung der Wärmeabgabe :
Die prozentuale Aufteilung der Wärmeabgabe auf die einzelnen Mechanismen hängen vom
GesamtenergieUmsatz ab.
Die Summanden der Wärmeabgabe des Menschen betragen bei Behaglichkeit
z.B. bei 75 W/m2 = 1.21 met :
•15 %
•11 %
•11 %
insensible Transpiration (Feuchtediffusion mit Hauttrocknung)
Schweißverdunstung
Atmung (!)
• 63 % trockene Wärmeabgabe durch Konvektion und Strahlung .
Quelle: e.g. Bernd Glück: „Thermische Bauteilaktivierung“, C.F.Müller Verlag 1999; p.8
Thermische Behaglichkeit durch:
Schwitzen und Hauttemperatur
Esw = 0,42 (M - 58)
[W/m2]
Bild C 2-5. Schweißsekretion (Verdunstung),
die für thermische Behaglichkeit notwendig ist,
als Funktion der Aktivität (Gesamtenergieumsatz M ).
Bei höherem Aktivitätsniveau als Stillsitzen
wird Schwitzen bevorzugt
Quelle: Fanger, Bild C 2-5 und Bild C 2-6, p. 139
TSkin = 35,7- 0,0275.M
[°C]
Bild C2-6. Hauttemperatur,
die für thermische Behaglichkeit notwendig ist,
als Funk tion der Aktivität (Gesamtenergieumsatz).
Mit zunehmender Aktivitilt werden
niedrigere Hauttemperaturen bevorzugt.
5.152
Raumzustände optimaler Behaglichkeit
Raumzustände optimaler Behaglichkeit
als Funktion von
Temperatur und Feuchte
mit den Parametern:
relative Luftgeschwindigkeit vrel [m/s]
Gesamtenergieumsatz M [met]
(met..= „metabolic“; 1 met = 58 [W/m2]
Bedingungen:
Lufttemperatur = Strahlungstemperatur;
leichte Kleidung (Icl = 0,5 clo )
Quelle: Fanger, Bild C 2-7, p. 141
5.153 Statistik der Temperaturempfindung: PMV und PPD
Der PMV-Index (PMV)
.
Zur Quantifizierung der menschlichen Temperaturempfindung wird
eine 7 Punkte Skala verwendet:
+3
+2
+1
heiß
warm
leicht
warm
0
neutral
-1
-2
-3
leicht
kühl
kühl
kalt
PMV= predicted mean vote. = Vorhergesagte mittlere Beurteilung
Der PMW -Index gibt die -bei einer großen Zahl von Personen- erwartete
durchschnittliche Beurteilung eines Raumklimas anhand der 7-Punkte Skala wieder.
Der PMW -Index wurde empirisch als Funktion
der Raumklima Parameter (Luft- und Strahlungstemperatur, Luftgeschwindigkeit und ~feuchte)
des Aktivitätsniveau und
der Bekleidung
bestimmt.
Dieser Zusammenhang wird tabellarisch und auch als empirische Gleichung angegeben.
Quelle: Fanger, p. 144
PPD: Predicted Percentage of Dissatified
PMV= predicted mean vote = Vorhergesagte mittlere Beurteilung
PPD = Predicted Percentage of Dissatified.
Vorhergesagter Prozentsatz der thermisch unzufriedenen Personen ,
d.h. derjenigen Personen,
die ihre Unzufriedenheit durch die Werte +-2 oder +-3 auf der 7 -Punkte Skala
dokumentiert haben.
7 Punkte Skala für PMV und die sich dabei ergebende PPD:
PMV:
+3
+2
+1
heiß
warm
leicht
warm
75%
25%
0,5
0
-0,5
neutral
-1
-2
-3
leicht
kühl
kühl
kalt
25%
75%
>90%
PPD:
>90%
10%
5%
10%
Beispiel: Wenn eine Population die Behaglichkeit im Mittel als „leicht kühl“, also PMV = -1 beurteilt,
so bleiben etwa PPD = 25% unzufrieden, d.h. sie haben mit +-2 oder +-3 abgestimmt.
Quelle: Fanger, p. 145
Predicted Percentage of Dissatified (PPD)
PPD ( PMV)
.
PPD =
Predicted Percentage
of Dissatified.
Vorhergesagter
Prozentsatz der
thermisch
unzufriedenen Personen
PMV=
predicted mean vote.
Vorhergesagte mittlere
Beurteilung
PMV
Quelle: Fanger, Bild C 2-10, p. 145 und Tabelle C 2-5, p. 146
PPD
Optimale Temperatur als Funktion von Aktivität und Bekleidung
Optimal
heißt:
PMV=0
+- 4°C
+- 5°C
Akzeptabler
Temperaturbereich
ist groß ( +- 5°C)
für hohe Aktivität
und
warme Kleidung
+- 4°C
+- 4°C
Akzeptabler
Temperaturbereich
ist klein ( +- 1°C)
für gerine Aktivität
und
leichte Kleidung
+- 1°C
Optimale Raumtemperatur (entsprechend PMV = 0) als Funktion von Aktivität und
Bekleidung.
Der Bereich optimaler Temperaturen, der einem PMV-Index Bereich -0,5 <PMV < +0,5
entspricht, ist als Flächenstreifen jeweils für +-1°C , +-1.5 ,.. , +- 5°C eingezeichnet.
Quelle: Fanger, Bild C 2-11, p. 146