Dr. J. Seifert und Prof. W. Richter, TU Dresden: Thermische Behaglichkeit- ein praxisgerechter Entscheidungsmaßstab beim Bau von Gebäuden für die Zukunft ?

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Im nachfolgenden Artikel sollen speziell die derzeit vorhandenen Normen und Richtlinien erläutert werden, die sich mit thermischer Behaglichkeit in umbauten Räumen befassen. Vorangestellt wird diesen Ausführungen ein Abschnitt, der grundlegende Fragestellungen zur thermischen Behaglichkeit zusammenfasst.

Was ist "Thermische Behaglichkeit"?

Unter einem thermisch behaglichen Zustand werden die Eigenschaften eines Raumes verstanden, bei denen der Organismus des Menschen

1. die geringsten thermoregulatorischen Aufwendungen vornehmen muss,
2. eine anstrengungslose, unspürbare Wärmeabgabe erfolgt sowie
3. ein subjektives Wohlempfinden des Menschen mit seiner Umgebung vorliegt, d.h. es nicht zu warm oder zu kalt ist.

Zur quantitativen Bewertung dieser Forderungen hat es in der Vergangenheit eine Vielzahl von Veröffentlichungen gegeben. Die wohl bekanntesten Bewertungsgrößen sind der PMV- sowie der PPD-Index die auf Fanger [1] zurückgehen. Unter dem PMV- Index (predicted mean vote) versteht man dabei die mittlere subjektive Klimabewertung der Raumnutzer. Der PPD- Index stellt hingegen den Prozentsatz der Raumnutzer dar, die mit den herrschenden raumklimatischen Verhältnissen nicht zufrieden sind. Beide Größen stehen in direktem Bezug zueinander und können z.B. mittels Abb. 1 direkt ineinander überführt werden.

Abb. 1.: PPD- Index in Abhängigkeit des PMV- Maßstabes.

Beide Kriterien, der PMV- sowie der PPD- Index gehören zu den globalen thermischen Behaglichkeitsgrößen. Neben diesen existieren jedoch noch weitere lokale Größen. Zu ihnen zählen

1. der Lufttemperaturverlauf über der Höhe,
2. die Strahlungsasymmetrie,
3. das Zugluftrisiko sowie
4. die Oberflächentemperatur (nur bei der Fußbodenheizung).

Nur wenn die globalen sowie die lokalen Größen eingehalten werden, kann die thermische Behaglichkeit im Raum gesichert werden.

Normen und Richtlinien

Aussagen zur thermischen Behaglichkeit werden in einer Vielzahl von Normen und Richtlinien getroffen. Die wichtigste, heute gültige Norm stellt in diesem Zusammenhang die aus dem Jahre 1995 stammende DIN EN ISO 7730 [2] dar. In ihr werden die Grundzüge zur Berechnung des PMV- sowie PPD-Indexes beschrieben und in einem quelltextähnlichen Programmablaufplan zusammengefasst. Zusätzlich sind in der genannten Norm mathematische Zusammenhänge zur Beschreibung des Zugluftrisikos sowie eine große Anzahl von Eingangsparametern in tabellarischer Form dokumentiert.
Hervorzuheben ist weiterhin der in DIN EN ISO 7730 beschriebene Ansatz zur Berechnung einer "Operativen Raumtemperatur" (oftmals auch als Empfindungstemperatur bezeichnet), der die in der Praxis als erster Anhaltswert für die thermische Behaglichkeit sehr leicht aus der Lufttemperatur und der Strahlungstemperatur der Umfassungsflächen bestimmt werden kann. Gewichtet werden die Lufttemperatur sowie die Strahlungstemperatur der Umfassungsflächen mittels eines Parameters a, der in stark vereinfachter Weise die relative Luftgeschwindigkeit berücksichtigt (siehe Gleichung 1 / Tabelle 1).

(Gl. 1)

mit

Tabelle 1: Wichtungsparamter a für die operative Raumtemperatur nach [2]

Im Jahre 2003 wurde die DIN EN ISO 7730 vollständig überarbeitet und um zusätzliche, praxisrelevantere Algorithmen zur Beschreibung der thermischen Behaglichkeit in Gebäuden ergänzt. Anzumerken ist jedoch, dass diese als prEN 7730 (Entwurf) [3] bezeichnete Norm derzeit nur als Entwurf vorliegt und noch nicht verabschiedet ist. Dennoch sind viele in [3] beschrieben Ansätze schon in für den TGA- Ingenieur relevante Standardwerke übernommen worden (siehe z.B. [4]). Die wichtigste Neuerung gegenüber der derzeit gültigen DIN EN ISO 7730 stellt zweifellos die Einteilung des Umgebungsklimas in so genannte Behaglichkeitsklassen dar. Typisiert werden dabei die Umgebungsbedingungen in die Behaglichkeitsklassen A, B, C denen Grenzwerte für die oben beschriebenen globalen und lokalen Größen zugeordnet werden. Eine Auswahl der in der prEN 7730 (Entwurf) dokumentierten Kennwerte zeigt Tabelle 2.

Tabelle 2: Komfortkriterien nach prEN 7730 (Entwurf) [3] (Büroraum, M = 1,2 met)

Über die Klassifizierung hinaus werden in der prEN 7730 (Entwurf) auch erstmals Angaben zum Umgebungsklima mit unstetigem Verlauf sowie zur Bewertung der thermischen Behaglichkeit über sehr lange Zeiträume getroffen.
Die DIN EN ISO 7730 sowie die prEN 7730 (Entwurf) stellen die wichtigsten Beziehungen zur Beschreibung der thermischen Behaglichkeit in Gebäuden zusammen. Darüber hinaus sind jedoch in einzelnen Normen weitere Angaben zu finden. Speziell zu erwähnen sind hier die DIN EN 15251 (Entwurf) [5] sowie die DIN EN 13779 [6] die Angaben zur thermischen Behaglichkeit in Bezug auf einen lüftungstechnischen Schwerpunkt machen. Im weiteren Sinne ist auch die Richtlinie VDI 6030 [7] zu den Werken zu zählen. Der Fokus dieser Norm richtet sich jedoch sehr stark auf die Auslegung von freien Heizflächen unter der Prämisse der Vermeidung von Strahlungsdefiziten im Raum.
Alle genannten Normen und Richtlinien gehen in ihrer Anlage von einer sehr genauen Berechnung der wärmephysiologischen Parameter aus. In der Praxis sind diese komplexen Zusammenhänge den beteiligten Projektpartnern jedoch nicht immer leicht zu vermittelten. Aus diesem Grunde wurden in den vergangenen Jahren zahlreiche Untersuchungen durchgeführt, die für typische anlagen- und bautechnische Lösungen die wärmephysiologischen Zustände im Raum beschreiben. Zu nennen sind hier im Besonderen die Arbeiten von Richter in [8], [9] der für den Winter- wie für den Sommerfall praxisrelevante Konfigurationen untersucht und anhand einfacher Grafiken versucht, die jeweiligen wärmephysiologischen Verhältnisse zu beschreiben. Für eine an der Außenwand angeordnete freie Heizfläche bei einer Außentemperatur von=-5°C und einem Luftwechsel von sind z.B. in [8] folgende Abbildungen zu finden:

Abb. 2: Max. Strahlungsasymmetrie in einer horizontalen / vertikalen Ebene

Abb. 3: Zugluftrisiko DR in einer vertikalen Ebene

Für die in der Praxis geforderte Möglichkeit, die wärmephysiologischen Zustände sehr schnell einschätzen zu können, sind die dokumentierten Abbildungen jedoch noch zu detailliert und erlauben nur eingeschränkt eine Einschätzung der Gesamtsituation. Aus diesem Grunde wurde ebenfalls von Richter ein kombinatorischer Bewertungsmaßstab zur Beschreibung der thermischen Behaglichkeit vorgeschlagen. Dieser neue, als "Summative thermische Behaglichkeit" bezeichnete Größe, wird ebenfalls in die Klassen A, B und C eingeteilt und kann wie folgt gebildet werden:

Tabelle 3: Definition der "Summativen thermischen Behaglichkeit"

Entscheidender Vorteil dieser kombinatorischen Betrachtung ist, dass alle wärmephysiologischen Parameter mittels eines Maßstabes dargestellt werden können, was in der Praxis von großem Vorteil ist. Die im vorangegangenen beschriebene Situation würde sich unter Berücksichtigung des Bewertungsmaßstabes der "Summativen thermischen Behaglichkeit" z.B. wie folgt darstellen:

Abb. 5: Summative thermische Behaglichkeit

Derzeit laufen an der technischen Universität Dresden Untersuchungen, um im Rahmen eines normativen Verfahrens, diesen Bewertungsansatz dem planenden Ingenieur zugänglich zu machen.

Fazit

Für viele in der Praxis tätige Ingenieure ist der Begriff der Thermischen Behaglichkeit im Raum eher eine abstrakte Größe, da deren Bestimmung sehr komplex ist und von einer Vielzahl von Einflussgrößen abhängt. Zielten in der Vergangenheit normative Berechnungsverfahren hauptsächlich darauf ab, die physikalischen Grundlagen zu beschreiben, so wird in neueren Normen und Richtlinien vermehrt der Fokus auf eine verbesserte praktische Handhabung gelegt. In diese Tendenz ordnet sich z.B. die Klassifizierung wärmephysiologischer Parameter in die Kategorien A, B, C ein. Eine Fortschreibung dieser Entwicklung wird durch die Verwendung kombinierter Bewertungsverfahren erreicht, die in den Normen und Richtlinien der nächsten Generation Einzug halten werden.

Dr. J. Seifert und Prof. W. Richter
Institut für Thermodynamik und Technische Gebäudeausrüstung, TU Dresden

Literaturverzeichnis

[1] Fanger, P. O.: Thermal Comfort analysis and Applications in Environmental Engineering. McGraw-Hill-Books New York, 1973
[2] DIN EN ISO 7730: Gemäßigtes Umgebungsklima; Ermittlung des PMV und PPD und Beschreibung der Bedingungen für thermischen Komfort, September 1995, DIN Deutsches Institut für Normung e.V.
[3] EN 7730 (Entwurf): Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD- Indexes und der lokalen thermischen Behaglichkeit (Entwurf 10/2003), DIN Deutsches Institut für Normung e.V.
[4] Recknagel 2005 / 2206: Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik, Oldenbourg Industrieverlag, 2005
[5] DIN EN 15251 (Entwurf): Bewertungskriterien für den Innenraum einschließlich Temperatur, Raumluftqualität, Licht und Lärm (Entwurf 7/2005), DIN Deutsches Institut für Normung e.V.
[6] DIN EN 13779: Lüftung von Nichtwohngebäuden - Allgemeine Grundlage und Anforderung an Lüftungs- und Klimaanlagen, 2005, DIN Deutsches Institut für Normung e.V.
[7] VDI 6030: Auslegung von freien Heizflächen - Grundlagen und Auslegung von Raumheizkörpern, Verein Deutscher Ingenieure, Juli 2002, Verein deutscher Ingenieure
[8] Richter, W. et al.: Handbuch der thermischen Behaglichkeit - Heizperiode-. Schriftenreihe der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, 2003.- ISBN 3-86509-013 -3
[9] Richter, W. et al.: Handbuch der thermischen Behaglichkeit - Sommerfall-. Schriftenreihe der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, Manuskript 2006.

Beruflicher Werdegang Dr.-Ing. Joachim Seifert

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