schwierige Arbeiten
Abb. 4-22: Leistungsfähigkeit für manuelle Tätigkei-ten mit unterschiedlichem Schwierigkeits-grad in Abhängigkeit der Handtempera-tur.
4.3 Globaler thermischer
Komfort
In diesem Kapitel wird der globale, das heisst, der Ganzkörper-Komfort behandelt. Für thermi-schen Komfort ist es aber auch erforderlich, dass kein lokales Unbehagen am Körper ent-steht, wie z.B. Zugluft oder asymmetrische Wärmestrahlung. Sie sind Thema des nächsten Hauptkapitels.
Die Ausführungen über die Wärmebilanz des Menschen haben gezeigt, dass folgende vier Klimagrössen den thermischen Komfort we-sentlich beeinflussen:
Raum- bzw. Lufttemperatur ta [°C]
Wärme- bzw. IR-Strahlung tr [°C]
Windgeschwindigkeit v [m/s]
relative Feuchte RH [%]
Behaglichkeit
Die thermische Behaglichkeit bzw. der thermi-sche Komfort ist das Gefühl welches Zufrieden-heit mit dem Umgebungsklima ausdrückt. Das bedeutet, dass man einen Klimazustand als thermisch neutral für den ganzen Körper emp-findet, d.h., nicht weiss, ob man eine niedrigere oder höhere Temperatur vorziehen würde.
Diskomfort bezeichnet einen davon abweichen-den unbehaglichen Klimazustand.
Tab. 4-5: Einige mögliche Bewertungsskalen, wel-che in der Forschung zum thermiswel-chen Komfort verwendet wurden. PMV und PPD werden in separaten Kapiteln er-klärt.
Beurteilung Akzeptanz Präferenz PMV PPD heiss inakzep- will es +3 99%
warm tabel kühler +2 75%
leicht warm will +1 25%
neutral akzeptabel keine 0 5%
leicht kühl Änderung -1 25%
kühl inakzep- will es -2 75%
kalt tabel wärmer -3 99%
Für die Beurteilung der klimatischen Verhält-nisse in einem Grossraum reicht eine Messung der Klimafaktoren im allgemeinen nicht aus.
Neben einer Abschätzung der körperlichen Ak-tivität, welche im Rahmen einer Arbeitsanalyse erfolgt, können auch individuell unterschiedliche Bedürfnisse mit einem Fragebogen erfasst werden. Fragen zu lokalen Klimawirkungen werden ergänzt durch eine Ratingskala bezüg-lich des globalen thermischen Komforts (Tab.
4-5).
Komfortbedingungen
Die Wärmebilanzgleichung wurde in vielen Stu-dien untersucht, mit dem Ziel einen einzigen In-dex zu entwickeln, welcher Abweichungen vom thermischen Gleichgewicht signalisiert oder so-gar eine subjektive Beurteilung gemäss Tab.
4-5 voraussagt. Der Index soll also den mehr-dimensionalen „Klimaraum“ bestehend aus Lufttemperatur, Strahlung, Windgeschwindigkeit und relativer Feuchte zu einem einzigen Klima-summenmass kombinieren. Falls ein Messgerät in der Lage ist, einen solchen Index anzuzei-gen, wäre es einfach, eine Klimasituation vor Ort zu beurteilen.
Man kann unterscheiden in Indices, welchen eine Analyse des Wärmeaustauschs am Men-schen mit den fundamentalen Gesetzen der Thermodynamik zugrunde liegen und in solche, welche empirisch aus Korrelationen zwischen Klimagrössen und subjektiven Beurteilungen gemäss Tab. 4-5 hervorgegangen sind. Ein Beispiel für die erste Methode sind die Glei-chungen in ISO 7933, die unter anderem zur Ermittlung der Wärmeerzeugung S im Körper und zur Berechnung der erforderlichen Schweissrate herangezogen werden können.
Beispiele für die zweite Methode sind die Ef-fektivtemperatur ET oder die WBGT. Dem PMV-Index nach Fanger [1970] liegt eine Kom-bination beider Methoden zugrunde.
ET und WBGT werden mit Hilfe der zwei abge-leiteten Grössen Globetemperatur tg und Feuchttemperatur twn ermittelt. Das Globe-thermometer besteht aus einem Thermometer, dessen Fühler von einer geschwärzten Kugel umgeben ist. Es soll den menschlichen IR-Strahlungsaustausch simulieren. Die Feucht-temperatur ist die mit einem Psychrometer be-stimmte Temperatur des befeuchteten Ther-mometers.
ET: Effektivtemperatur
Die Effektivtemperatur ist ein altes Sum-menmass, welches die Raumtemperatur, die Feuchte und die Luftbewegung miteinander kombiniert [Houghton, Yaglou, 1923]. Es ist auch heute noch weit verbreitet. Man unter-scheidet die Normal-Effektivtemperatur NET,
die für Personen mit üblicher Strassenkleidung gilt, und die Basis-Effektivtemperatur BET für Personen mit unbekleidetem Oberkörper. Ihr Wert wird mittels Nomogrammen ermittelt (Abb.
4-23). Ein Raum ohne Luftbewegung mit 25°C und einer Feuchte von 50% hat beispielsweise eine Effektivtemperatur von 22°C. In einem Klima mit 100% Luftfeuchte und 0.1 m/s Wind-geschwindigkeit stimmen Raumtemperatur und Effektivtemperatur überein. Falls die Strah-lungstemperatur stark von der Raumtemperatur abweicht, sollte bei der Bestimmung der Effek-tivtemperatur die Globetemperatur statt die Raumtemperatur verwendet werden. Die Effek-tivtemperatur wurde sukzessive weiterentwi-ckelt. In den USA wird die neue Effektivtempe-ratur ET* verwendet. Für weitere Informationen zu ET* siehe bei Gagge et al. [1986].
Abb. 4-23: Nomogramm nach Yaglou zur Ermittlung der Normal-Effektivtemperatur NET.
WBGT: Wet Bulb Globe Temperature
Die WBGT ist ein einfaches Summenmass, welches die Feuchte, die Wärmestrahlung und die Raumtemperatur miteinander kombiniert (siehe ISO 7243). Die Bedeutung der WBGT
ergibt sich aus der Tatsache, dass sie als Ar-beitsnorm von der ISO empfohlen wurde. Sie berücksichtigt weder den Energieumsatz noch die Bekleidung des Menschen. Es gilt ohne Sonnenbelastung:
g wn 0.3 t t
7 . 0
WBGT= ⋅ + ⋅
und mit Sonnenbelastung:
a g
wn 0.2 t 0.1 t t
7 . 0
WBGT= ⋅ + ⋅ + ⋅
PMV: Diskomfort-Index
Ausführliche Untersuchungen zum Klima-komfort wurden von Fanger [1970] in Kli-makammern an über 1300 Testpersonen durchgeführt. Sie zeigten, dass zum Erreichen einer thermischen Behaglichkeit für den ganzen Körper drei Bedingungen erfüllt sein müssen:
a) Die vom Körper abgeführte Wärmemenge befindet sich im Gleichgewicht mit seiner Wärmeproduktion. Es findet kein Wärme-verlust und keine Wärmespeicherung im Körper statt: S=0W m2.
b) Mit zunehmender körperlicher Aktivität M in W/m2 wird eine tiefere mittlere Hauttemper-atur tskin °C bevorzugt. Fangers Unter-suchungen ergaben folgenden Zusammen-hang: tsk =35.7°C−0.0275⋅M. Im Büro mit M=70 W/m2 ergibt dies eine mittlere Haut-temperatur von 33.8°C.
c) Mit zunehmender körperlicher Aktivität M [W/m2] wird eine erhöhte Schweissrate und damit eine erhöhte Wärmeabgabe E [W/m2] durch Verdunstung bevorzugt. Körperlich aktive Personen bevorzugen offenbar keine so stark gekühlte Umgebung, dass sie nicht mehr Schwitzen müssen. Die Untersuchun-gen ergaben für metabolische Raten M bis 174 W/m2 (=3 met) folgendes:
(
M 58.15W/m2)
42 . 0
E= − . Für
Bürotä-tigkeiten ist dies kaum noch von Bedeutung und Schwitzen daher kein Erfordernis für Behaglichkeit.
Die Abgabe von Verdunstungswärme gemäss c) korreliert stark mit dem Hautfeuchtigkeitsgrad w (Benetzungsgrad der Körperoberfläche). Die Behaglichkeit hängt daher auch mit w zusam-men (Tab. 4-6).
Tab. 4-6: Die Behaglichkeit der thermischen Bela-stung bei verschiedenen Hautfeuchtig-keitsgraden (Gagge, 1981).
Hautfeuchtigkeit Bewertung 0.0 < w < 0.2 behaglich
0.2 < w < 0.5 leicht behaglich 0.5 < w < 0.7 unbehaglich 0.7 < w < 1.0 stark unbehaglich Fanger konnte die drei Komfortbedingungen so umformen, dass ein Diskomfort-Index, das so-genannte PMV berechnet werden kann (siehe Fanger 1970 und ISO 7730). Das vorausgesag-te mittlere Urvorausgesag-teil PMV (predicvorausgesag-ted mean vovorausgesag-te) ist eine Zahl, die den Durchschnittswert für die Kli-mabeurteilung durch eine grosse
Perso-nengruppe anhand der 7-stufigen Klimabeur-teilungsskala gemäss Tab. 4-5 voraussagt.
PPD: Vorausgesagter Prozentsatz Unzu-friedener
Das PMV sagt den Durchschnittswert der Kli-mabeurteilung einer grossen Gruppe dem glei-chen Umgebungsklima ausgesetzter Personen voraus. Einzelne Urteile streuen um diesen Durchschnittswert, und es ist nützlich, die An-zahl der Personen vorherzusagen, die das Um-gebungsklima wahrscheinlich als zu warm oder zu kalt empfinden werden. Der PPD stellt eine quantitative Voraussage der Anzahl der mit ei-nem bestimmten Klima unzufriedenen Men-schen dar (Abb. 4-24 und Tab. 4-5).
etwas
Abb. 4-24: Aus dem vorhergesagten mittleren Urteil PMV ermittelter Prozentsatz thermisch unzufriedener Personen PPD.
Der PPD zeigt, dass für –0.5 < PMV < +0.5 das Umgebungsklima von 90% der Personen ak-zeptiert wird. In der Praxis zeigt sich aber, dass oft eine grössere Unzufriedenheit mit dem Raumklima vorhanden ist. Die PMV/PPD-Methode berücksichtigt nur die physiologische Thermoregulation, nicht aber das Verhalten und die psychologisch erklärbaren Erwartungen der Personen am Arbeitsplatz. Siehe dazu Kap.
4.5.
Komfortklima
Die im folgenden aufgeführten Empfehlungen zu einzelnen Klimaparametern beruhen weitge-hend auf dem PMV-Index. Zu beachten ist, dass zusätzlich lokale Klimawirkungen beachtet werden müssen und dass mit den Empfehlun-gen nicht unbedingt individuellen Bedürfnissen entsprochen wird. Der PMV-Index dient haupt-sächlich zur Voraussage der Komfortbeur-teilung ganzer Personengruppen.
Lufttemperatur
Die Umgebungstemperatur beeinflusst an vie-len Arbeitsplätze massgebend die thermische Belastung. Der Körper gibt abhängig von der Isolationswirkung der getragenen Kleidung ständig Wärme an die Umgebungsluft ab, so-lange diese kälter als die Oberflächentempera-tur des Körpers ist.
58 87 116 145 174