thermische Behaglichkeit in heißem Klima : die mögliche

4. Thermische Behaglichkeit im Klima von Burkina Faso
4.1. Allgemeines
Die thermische Behaglichkeit kann man definieren als das Wohlbefinden eines Menschen in einem
gegebenen Raumklima. Sie ist gekennzeichnet durch eine nur geringe Beanspruchung des vasomotorischen thermischen Regelsystems. Aufgrund individueller Unterschiede ist es nicht möglich, ein thermisches Raumklima zu schaffen, in welchem das Wohlbefinden gleichzeitig für alle erreicht wird. Immer
gibt es einen Prozentsatz Unzufriedener. Deswegen wird in der ASHRAE-Norm 55 und in ISO 7730 ein
sogenanntes “akzeptables thermisches Raumklima“ definiert als eine Umgebung, die von mindestens
80% der Personen, die sich dort aufhalten, thermisch annehmbar empfunden wird [5, 6].
Das Behaglichkeitsempfinden des Menschen ist abhängig von dem thermischen Gleichgewicht zwischen
dem Körper und seiner Umgebung. Die thermische Behaglichkeit des Menschen wird durch folgende
Größen beeinflusst:
Physikalische Faktoren:
•
die Lufttemperatur und relative Luftfeuchtigkeit
•
die Temperatur der Umschließungsflächen,
•
die Luftbewegung um den Menschen herum,
•
die Kleidung des Menschen.
Physiologische Faktoren:
•
der Stoffwechselumsatz (Metabolismus) bzw. die Wärmeproduktion des Körpers,
•
das Gewicht und die Körpergröße des Menschen,
•
die körperliche Aktivität des Menschen.
Die im Körper gebildete Wärme ist durch die allgemeinen physikalischen Wärmeübertragungsvorgänge
(Wärmeleitung, Konvektion, Wärmestrahlung, Verdunstung) gekennzeichnet. Die Wärmebilanz ist in der
folgenden Gleichung dargestellt:
H – Ediff – Erl – Ers – Esw = R + C
(1/4)
Hierin bedeuten:
•
H : die innere Wärmeproduktion des Körpers,
•
Ediff : die latente Wärmeabgabe infolge Dampfdiffusion durch die Haut,
•
Erl : die latenten Wärmeverluste infolge Atmung,
•
Ers : die sensiblen Wärmeverluste infolge Atmung,
•
Erw : die Wärmeverluste durch Schweißverdunstung,
•
R : die radiativen Wärmeverluste durch die externe Kleidungsoberfläche,
•
C : die konvektiven Wärmeverluste durch die externe Kleidungsoberfläche.
- 30 -
Die Einhaltung dieses Gleichgewicht ist die erste Voraussetzung, um eine thermische Behaglichkeit zu
erreichen. Diese Bedingung ist mit der Funktion des menschlichen Thermoregulationssystems verbunden, dessen Rolle es ist, die Körpertemperatur des Menschen um 37 °C konstant zu halten. Im gemäßigten Klima zeigten Untersuchungen, dass die thermische Behaglichkeit entscheidend von der Lufttemperatur der Umgebung, der Intensität der ausgeführten Arbeit und der direkten Sonneneinstrahlung
abhängt. Die relative Luftfeuchtigkeit und die Luftgeschwindigkeit zeigten sich als weniger bedeutend [7].
Die thermische Behaglichkeit bzw. Unbehaglichkeit wird nach dem PMV- bzw. PPD-Index (Fanger 1982)
bewertet. Studien und Forschungen über die thermischen Behaglichkeitsbedingungen im heißen Klima,
die von J. P. Meyer, Hardy, Gagge, Berglund, Winslow, B. Ginovi, D. Kerslake, usv. [3, 7, 8, 22] durchgeführt wurden, haben die folgenden Ergebnisse erbracht:
Die Feuchtigkeitsbildungsrate auf der Haut (DS) und der feuchte Hautoberflächenanteil (Mcut),
welcher durch die relative Luftfeuchtigkeit und die Luftgeschwindigkeit bestimmt ist, bilden zwei
dominierende Faktoren in der Ermittlung der Behaglichkeits- und Akklimatisierungsgrenzen. Der
DS-Wert entspricht der Wassermenge, die durch Schwitzen abgegeben wird und der Mcut-Wert
dem mit Schweiß bedeckten Hautoberflächenanteil.
Das Wärmebilanzgleichgewicht des Körpers im heißen und feuchten Klima wird im wesentlichen
durch die Schweißverdunstung der Haut erreicht.
Ohne Schweißbildung auf der Haut betragen die Wärmeverluste durch die Verdunstung (Erw) ungefähr 6% der maximalen Verdunstung durch Schweißbildung der Haut (Emax).
Die Änderung der Hauttemperatur (Tsk) in Abhängigkeit vom Wasserdampfpartialdruck der umgebenden Luft ist maximal, wenn der Mcut den Wert von 25 - 30% erreicht.
Solange der feuchte Hautoberflächenanteil unterhalb der Grenze von 25 - 30 % bleibt, kann der
gesunde Mensch schwitzen, ohne dass er sich unbehaglich fühlt, da der gesamte abgesonderte
Schweiß sofort verdunstet. Oberhalb dieser Grenze empfindet der Mensch durch die Feuchtigkeit
auf der Haut eine sehr deutliche Unbehaglichkeit (bleibender Schweiß auf der Haut bis Erstickungsempfindung).
Die Zunahme der Feuchtigkeitsbildungsrate auf der Haut führt zu einer progressiven Körperermüdung und muss niedriger sein als der Grenzwert von 250 g/h.
Von den Forschungsarbeiten des “Centre National de Recherche Scientifique“ (C. N. R. S.) von Frankreich wurden Behaglichkeitsnoten (DISC-Index) unter Berücksichtigung des feuchten Hautoberflächenanteils (Mcut) und der Feuchtigkeitsbildungsrate (DS) auf der Haut zur Beurteilung des Raumklimas
ermittelt (siehe Tab. 4.1). Aus diesen Indizes wurden subjektive Durchschnittwerte der Klimabeurteilung
abgeleitet [8]:
Index 1: angenehm
Index 2: etwas unangenehm
Index 3: unangenehm
Index 4: sehr unangenehm.
- 31 -
Tab. 4.1: Verteilung der Klimabeurteilungen nach dem DISC-Index
Feuchter HautOberflächeanteil
4
4
4
4
3
3
3
4
2
2
2
4
1
2
3
4
> 25%
25%
15%
15%
6%
6%
0
50
150
250 Feuchtigkeitsbildungsrate
auf der Haut (g/h)
Nach dem DISC-Index wurde ein vorausgesagter Prozentsatz unzufriedener Menschen mit dem gleichen
Umgebungsklima (IND-Index) im Vergleich zum PPD-Index von Fanger vorgeschlagen, d. h. ein IND-Wert
von 0% entspricht dem DISC-Wert von 1 und ein IND-Wert von 100% dem DISC-Wert von 4. Der INDWert ergibt sich aus der folgenden Gleichung.
IND =
( Mcut − 0.06) 2 ( DS − 50) 2
+
0.19
200
(2/4)
Es wird angenommen, dass die bei SANGKERTADI entwickelte Indexkorrelation den Bedingungen des
heißen Klimas während der feuchten Perioden gerecht wird [8]. Für einen leicht bekleideten Menschen
(≈ 0.5 clo) mit einer sitzenden Tätigkeit (≈ 1,1 Met) lässt sich der sogenannte DISC-Index folgendermaßen bestimmen:
DISC S = 3.9338 ⋅ Mcut + 0.0158 ⋅ DS − 0.3348
(3/4)
Die hier vorgestellten Ergebnisse sind nicht unumstritten, wie z. B. die Untersuchungen und Versuchsergebnisse im “1987 ASHRAE Fundamentals Handbook: Thermal Comfort “ [22] zeigen. Der Verfasser
sieht sich nicht in der Lage eindeutig zu entscheiden, welche Ergebnisse besser auf das Klima in Burkina
Faso zutreffen. Da die hier genutzten Ergebnisse in Afrika gewonnen wurden, sollen sie für die Bewertung des Klimas genutzt werden.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass der feuchte Hautoberflächenanteil (Mcut) eine entscheidende
Größe zur Bewertung der thermischen Behaglichkeit im heißen Klima ist und die Konzeption des Gebäudes auf die Begrenzung des Mcut-Wertes durch bauliche bzw. lüftungstechnische Maßnahmen Bezug
nehmen sollte.
- 32 -
4.2. Der Einfluss der Lüftung auf den feuchten Hautoberflächenanteil (Mcut) des Körpers zur
Verbesserung des Behaglichkeitsempfindens
Der menschliche Organismus hat die Eigenschaft, bei unterschiedlichen inneren und äußeren Bedingungen, die Körpertemperatur bei 37± 0,8 °C konstant zu halten. Unabhängig von dem Umgebungsklima
und von der augenblicklichen Wärmeproduktion des Körpers muss diese Körperkerntemperatur
eingehalten werden. Steigt z. B. die Körperkerntemperatur, so wird die Hautdurchblutung erhöht
(Vasodilation), wodurch die Oberflächentemperatur, und damit die Wärmeabfuhr steigt. Reicht diese
Maßnahme nicht aus, beginnt ein fühlbarer Schweißsekretionsprozess. Die spezifische Wärmeabgabe
beträgt etwa 2,5 kJ/g verdunstetes Wasser, dabei wird der Schweiß durch ca. 2 Mio. Drüsen in der
Hautoberfläche abgesondert. Durch Verdunstung erfolgt eine Entwärmung des menschlichen Körpers,
die durch Luftbewegung gefördert wird. Da die Intensität der Verdunstung von Schweiß von dem
Dampfdruckgefälle zwischen Hautoberfläche (Sättigungsdruck) und Raumluft (Dampfteildruck) abhängt
(siehe Anlage 2), hat die Luftfeuchtigkeit einen Einfluss auf die thermische Behaglichkeit, d.h. je größer
die relative Raumluftfeuchte, um so geringer die Wärmeabgabe des Körpers durch Verdunstung von
Schweiß. Kommt neben der Feuchte auch eine hohe Temperatur hinzu, wird die Luft ab einem
Feuchtgehalt von 11,5 g/kg als schwül empfunden. Dieser Effekt tritt bereits bei Temperaturen von 24 °C
in Verbindung mit relativen Luftfeuchten größer als 60% ein. Diese Werte sind aus der Abb. 4.1 und dem
Komfortdiagramm nach [32] abzulesen. Für die Behaglichkeit werden zulässige Grenzwerte der
Raumluftfeuchte angegeben und zwar zwischen 30% und 70% relative Luftfeuchtigkeit in EN ISO 7730
und zwischen einem Taupunkt von 2°C als Untergrenze und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60% als
Obergrenze in ASHRAE-Norm 55 [15, 33, 28].
Abb. 4.1: Zusammenhang von Raumlufttemperatur und rel. Luftfeuchtigkeit nach [15]
In Anhang 2 wird dieser Zusammenhang ausführlich dargestellt. Insbesondere wird dabei der Einfluss
der Luftgeschwindigkeit auf die Verdunstung von Schweiß zur Reduzierung des feuchten Hautoberflächenanteils (Mcut) und dadurch zur Verbesserung der Wärmeabgabe des Körpers erläutert. Dies hat
besondere Bedeutung für die Regenzeit in Burkina Faso, da diese Periode durch warme Lufttemperaturen und hohe Luftfeuchtigkeit gekennzeichnet ist.
- 33 -
So werden Diagramme mit Hilfe von MATHCAD (leistungsstarke Software für technische Berechnungen)
erstellt, die gestatten, für ein gegebenes Raumklima die besten Kombinationen von Klimaparametern zu
wählen, um ein behagliches Raumklima zu erreichen. Die Werte werden nur als Orientierungshilfe
genutzt. Für einen leicht bekleideten Menschen mit einer sitzenden Tätigkeit (Iclo = 0,5 clo und ACT =
1,12 Met) in einem Raumklima während der warmfeuchten Periode des Jahres lassen sich mit Hilfe der
folgenden Diagramme erträgliche mittlere Raumlufttemperaturen bestimmen.
Dabei wird von dem wichtigen Ergebnis Gebrauch gemacht, dass bei einer beliebigen aber konstanten
operativen Temperatur sich die Mcut-Werte bzw. die DS-Werte mit zunehmender Luftgeschwindigkeit
verringern (siehe Abb. 4.2 und 4.3).
Abb. 4.2: Zusammenhang zwischen Mcut und operativer Temperatur (Top) [mittlere Temperatur der
Raumumschließungsflächen
ϑOi = ϑ Li + 5
°C und relative Raumluftfeuchtigkeit
ϕ Li = 70% ]
Mcut = f (Top), Vi variable
100%
90%
80%
70%
Vi = 0.0 m/s
Mcut
60%
Vi = 0.5 m/s
50%
40%
Vi = 1.0 m/s
30%
20%
Vi = 1.5 m/s
10%
0%
27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43
Top in °C
Abb. 4.3: Zusammenhang zwischen DS und operativer Temperatur (Top) für die gleichen Parameter
DS = f (Top), Vi variable
250
DS in g/h
200
Vi = 0.0 m/s
Vi = 0.5 m/s
150
Vi = 1.0 m/s
100
Vi = 1.5 m/s
50
0
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
Top in °C
- 34 -
38
39
40
41
42
43
Die Abb. 4.4 zeigt den Zusammenhang zwischen Raumlufttemperatur und Luftgeschwindigkeit für einen
festgelegten DISC-Index von 1 (thermisch angenehm) und eine mittlere Temperatur der Raumumschließungsflächen
ϑOi = ϑ Li + 5 °C (ungünstiger Fall).
Daraus ist ersichtlich, dass höhere Raumlufttemperaturen bei zunehmender Raumluftgeschwindigkeit als
angenehm empfunden werden. Z. B. sollte bei einer Raumlufttemperatur von 30 °C und einer relativen
Luftfeuchtigkeit von 70% die Luftgeschwindigkeit mindestens 0.73 m/s betragen.
Abb. 4.4: Zusammenhang zwischen Raumlufttemperatur und Raumluftgeschwindigkeit für einen
DISC-Index von 1 (thermisch angenehm)
2.4
2.2
Raumluftgeschwindigkeit in m/s
2.0
1.8
RH = 50%
1.6
1.4
RH = 60%
1.2
RH = 70%
1.0
RH = 80%
0.8
RH = 90%
0.6
0.4
0.2
0.0
27
28
29
30
31
32
Raumlufttemperatur in °C
RH: relative Luftfeuchtigkeit
In Abb. 4.5a und 4.5b ist für einen leicht bekleideten Menschen mit einer sitzenden Tätigkeit (Iclo = 0,5
clo und ACT = 1,12 Met) der Zusammenhang zwischen dem DISC-Index nach Sangkerdati und der
Raumluftgeschwindigkeit graphisch dargestellt. Diese Diagramme ermöglichen für eine bestimmte
Raumlufttemperatur und relative Luftfeuchtigkeit das Raumklima thermisch zu bewerten. So wird z. B.
ein Raumklima mit einer Raumlufttemperatur von 28°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit größer als
50% schon ab eine Luftgeschwindigkeit von 0.2 m/s als thermisch angenehm empfunden.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die vorstehenden Betrachtungen eine Erweiterung des
Behaglichkeitsbereichs zu höheren Temperaturen gestatten. Das bestätigt noch einmal die im Komfortdiagramm von V. Olgyay dargestellten Aussagen, wie im folgenden Abschnitt gezeigt werden soll.
- 35 -
Abb. 4.5a & 4.5b: Zusammenhang zwischen DISC-Index nach Sangkertadi und Raumluftgeschwindigkeit
Abb. 4.5a
Abb. 4.5b
4.0
s
e
h
r
DISC-Index nach Sangkertadi
3.0
u
n
a
n
g
e
n
e
h
m
ϑLi / ϕ Li
e
t
w
a
s
1.0
ϑLi / ϕ Li
3.0
36°C / 60%
u
n
a
n
g
e
n
e
h
m
2.0
u
n
a
n
g
e
n
e
h
m
s
e
h
r
u
n
a
n
g
e
n
e
h
m
36°C / 50%
34°C / 60%
34°C / 50%
32°C / 60%
u
n
a
n
g
e
n
e
h
m
32°C / 50%
30°C / 60%
DISC-Index nach Sangkertad
4.0
2.0
e
t
w
a
s
30°C / 50%
28°C / 60%
28°C / 50%
36°C / 80%
36°C / 70%
34°C / 80%
34°C / 70%
32°C / 80%
u
n
a
n
g
e
n
e
h
m
32°C / 70%
30°C / 80%
30°C / 70%
28°C / 80%
28°C / 70%
1.0
a
n
g
e
n
e
h
m
a
n
g
e
n
e
h
m
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
0.0
2.0
0.0
Raumluftgeschwindigkeit in m/s
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
Raumluftgeschwindigkeit in m/s
- 36 -
1.4
1.6
1.8
2.0
4.3. Bestimmung eines erträglichen Raumklimas in Burkina Faso
Eine der Aufgaben im Rahmen der bauklimatischen Planung ist es, dafür zu sorgen, dass der Mensch
sich in seinem Aufenthaltsbereich behaglich fühlt und somit zufrieden mit dem Raumklima ist. Nach Fiala
Dusan [7] erscheint diese Forderung sehr wichtig, weil der heutige Mensch bei weitem den längsten Teil
seines Lebens in Räumen verbringt und er das Optimum seiner intellektuellen und manuellen Leistungsfähigkeit nur unter den Bedingungen der thermischen Behaglichkeit erreicht.
In Burkina Faso gibt es bis jetzt keine genormten Behaglichkeitsgrenzwerte für die adäquate Beurteilung
der thermischen Behaglichkeit in Gebäuden. Viele Untersuchungen und Versuche wurden weltweit
durchgeführt, um Behaglichkeitsindizes zur Bewertung des menschlichen Behaglichkeitsempfindens
festzulegen. In den folgenden Ausführungen sind einigen Ergebnisse von Untersuchungen dargestellt:
Zulässige Behaglichkeitsgrenzwerte von Koenigsberger für tropische Regionen nach [29]
22 °C ET ≤ ϑ Li ≤ 27 °C ET (4/4)
Hierin bedeuten:
•
ϑLi: die Innenlufttemperatur,
•
ET: die effektive Temperatur und ist durch Versuche festgelegt und fasst die Lufttemperatur, Luftfeuchte und Luftbewegung als das Gefühl von Wärme oder Kälte in einem
Zahlenwert zusammen.
Zulässige Behaglichkeitsgrenzwerte von Webb für Singapur (äquatorial) nach [31]
25 °C ET ≤ ϑ Li ≤ 27 °C ET
(5/4)
Komfortdiagramm von Victor Olgyay nach [31]
- 37 -
Komfortdiagramm von B. Givoni nach [2]
Siehe Abb. 3.1 / Kapitel 3
Komfortdiagramm nach [32] (ohne Angabe von Autoren)
Komfortdiagramm nach [7] (ohne Angabe von Autoren)
Komfortdiagramm von ASHRAE (Standart 55) nach [22]
- 38 -
Während die ersten drei Autoren enge Temperaturbereiche angeben, die als behaglich gewertet werden
können, erfolgen wesentliche Erweiterungen des Behaglichkeitsbereiches mit Einführung von Komfortdiagrammen. Es ist festzustellen, dass mehrere Behaglichkeitsgrenzwerte weltweit benutzt werden und
alle kommen zu unterschiedlichen Grenzwerten für ein behagliches Raumklima. Die strenge Übertragung von sehr engen Grenzwerten für das Klima in Burkina Faso würde auf Grund des notwendigen
Einsatzes technischer Klimaanlagen zu hohen Energieverbräuchen und damit erheblichen Kosten
führen. Es ist also sinnvoll im Fall von Burkina Faso Erträglichkeitsgrenzwerte bzw. zulässige thermische
Raumklimabedingungen zu definieren, die für den Fall der Klimatisierung gelten sollen. D.h., es müssen
wenigstens kurzzeitige Abweichungen vom behaglichen, bzw. physiologisch optimalen Raumklima zugelassen werden. So wird ein Raumklima geschaffen, in dem die Zufriedenheit mit der thermischen Umgebung und die Leistungsfähigkeit des Menschen in gewissen Maßen gemindert werden, aber nicht
dessen Gesundheit gefährdet ist [K. Petzold, 7].
Aus den vorstehend zitierten Sachverhalten wird eine maximale Raumlufttemperatur von 27 °C in den
Bürogebäude als erträglich angenommen. An Hand der im Abschnitt 4.2 gewonnenen Ergebnisse ist die
Beschränkung der Obergrenze der Raumluftfeuchte auf einen Wasserdampfgehalt von x ≤ 11,5 g/kg nur
aus Behaglichkeitsgründen nicht mehr zwingend nötig, da das Schwüleempfinden durch eine Erhöhung
der Verdunstung von Schweiß bei zunehmender Raumluftgeschwindigkeit vermeidbar wird. Das Einhalten einer relativen Luftfeuchte außerhalb des Schwülebereiches ist bei Klimatisierung allerdings unproblematisch. Zu beachten ist der Einfluss von sogenannter lokaler thermischer Unbehaglichkeit. Eine
ungewollte Erwärmung bzw. Abkühlung eines bestimmten Körperteils, eine anormale hohe Temperaturdifferenz zwischen Kopf und Knöchel oder eine zu hohe Asymmetrie der Strahlungstemperatur seien als
Beispiel angeführt [5,6]. Um dies zu bewerten, werden häufig experimentell ermittelte Behaglichkeitsdiagramme herangezogen. Z.B. zeigt die Abb. 4.6 die Berücksichtigung der StrahlungstemperaturAsymmetrie, die auf der Basis einer Reihe von Untersuchungen entstanden ist [28].
Abb. 4.6: Einfluss von ∆ϑ =
ϑOi − ϑ Li
auf das Behaglichkeitsempfinden durch die Strahlungs-
Temperatur-Asymmetrie [28]
Temperaturdifferenz (K)
- 39 -
Dieser Einfluss wird in der vorliegenden Arbeit nicht berücksichtig. In den “1987 ASHRAE Fundamentals
Handbook “ [22] sind Forschungs- und Versuchergebnisse über den Anteil Unzufriedener als Funktion
der Luftgeschwindigkeit, der vertikalen Temperaturdifferenz zwischen dem Kopf und dem Fußknöchel,
oder der Fußbodentemperatur (siehe Anhang 3) zu finden. Die Ergebnisse können auf das Klima in
Burkina Faso übertragen werden.
- 40 -