5. Energiedienstleistungen -

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

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)

5.1

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

„ C : Mensch und Raumklima“ (p. 125-176), von P.O. Fanger /Recknagel e.a. 01/ 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, Bernd: Wärmetechnisches Raummodell - gekoppelte Berechnungen und wärmehysiologische Untersuchungen, C.F. Müller,

ISBN 3-7880-7615-1

/Glück 99/ Glück, Bernd: Thermische Bauteilaktivierung. Kapitel 1

1. Energieumsatz

Energie Umsatzgrößen

- der lebenden Zelle

- des Gesamtorganismus Grundumsatz

Arbeitsumsatz

5.11

Energie - Umsatzgrößen der lebenden Zelle:

Abb. 7-2A : Funktionseinschränkungen von Körperzellen bei Sauerstoff- oder Nahrungs- mangel.

Quelle: nach / Birbaumer-Schmidt 91 :Biologische Psychologie, Abb.7-2A, p.112 /

100 = Tätigkeits Umsatz

50= Bereitschafts Umsatz

Erhaltungs Umsatz =15

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,

Energie - Umsatzgrößen des Gesamtorganismus:

Abb. 7-2B : Spezifischer Grundumsatz , bezogen auf 1 m² Körperoberfläche, in [W/m^2], als Funktion des Lebensalters. Bei Männern und Frauen .

Quelle: nach / Birbaumer-Schmidt 91 :Biologische Psychologie, Abb.7-2B, p.112 /

Bem: Man beachte den ausgeprägten Rückgang des Grundumsatzes nach Abschluss des Wachstums.

Dem sollte durch Änderung der Essgewohnheiten Rechnung getragen werden.

_ 50 [W /m

²

]

_ 33 [W /m

²

] _ 60 [W /m

²

]

_ 40 [W /m

²

]

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

Quelle: nach /Thews e.a. 89, Tab 14-3, p.366/

Mittlere Werte des Energie-Umsatzes unter typischen Bedingungen

Männer (70kg) * Frauen (60kg)

[kcal/Tag] [W] [ kJ/Tag] [ W] * ^{[kcal/Tag] [W]} [ kJ/Tag] [ W]

Grundumsatz 1700 82 7100 82 * ^{1500 73} 6300 73

Ruheumsatz ^{2000 97} 8400 97 * ^{1750 85} 7300 84

Freizeitumsatz 2300 111 9600 111 * ^{2000 97} 8400 97

2400 116 10100 117 * 2100 102 8800 102

leichte Arbeit *

3000 145 12600 146 * ^{2600 126} 10900 126

mittelschwere Arbeit *

3600 174 15100 175 * ^{3100 150} 13000 150

schwere Arbeit *

4200 203 17600 204 * 3600 174 15100 175

sehr schwere Arbeit *

4800 232 20100 233 *

Bem: Arbeitsumsatz (=Leistungszuschlag) ..= nur der über den Freizeitumsatz hinausgehende, für die körperliche Arbeit benötigte

Energieumsatz.

2. Körpertemperatur

5.12

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: / Birbaumer-Schmidt 91 :Biologische Psychologie, Abb.7-4, p.115 /

Kern- und Schalentemperatur

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: nach / Birbaumer-Schmidt 91 :Biologische Psychologie, Abb.t-4p.115 / /Thews e.a. 89, p.366 ff/

37 °C = Sollwert der Kerntemperatur 33 °C = mittlere Hauttemperatur

( unbekleidet und bei

behaglcher Umgebungstemperatur)

Wärmeabgabe und Schwankungen der Körpertemperatur

Die Abgabe der durch Arbeit erzeugten Wärme erfolgt über- wiegend durch die Schweißverdunstung (Evaporation) von der Hautoberfläche. (oberer Teil der Säulen).Dadurch fällt die Hauttemperatur bei Arbeit (trotz Anstieges der Rectal- temperatur) 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])

_Rectaltemperatur

_Hauttemperatur

Wärmebildung (roter Kurvenzug) und

Wärmeabgabe (graue Säulen) in Ruhe und bei Arbeit

Quelle: / Birbaumer-Schmidt 91 :Biologische Psychologie, Abb.7-5,p.117 /

Quelle: nach / Birbaumer-Schmidt 91 :Biologische Psychologie, 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.

3. Regelung der Körpertemperatur

Hohe Anforderungen an die Thermoregulation:

• Der Mensch ist über viele Klimazonen verbreitet

Starke geographische, tägliche und jahreszeitliche Klimaschwankungen

in Europa: 10°C Isolinie reicht bis ca. 60° N

auf Südhalbkugel: 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 !

5.13

Literatur: e.g. P.O. Fanger „ C : Mensch und Raumklima“ , in /Rietschel 94/, p. 126-127)

P.O. Fanger „ C : Mensch und Raumklima“ , in /Rietschel 94/, p. 126-127)

Fühler : Thermorezeptoren

Zentrale und periphere Rezeptoren (Temperaturfühler) reagieren auf Temperaturniveau und

Temperaturänderung

Diese spezialisierten Nervenzellen senden elektrische Signale an Steuerzentrum

Regler : das Temperaturzentrum

Das Temperaturkontrollzentrum des Menschen befindet sich im Hypothalamus

(am Boden des Mittelhirns)

Temperatur Hardware des Menschen

Stellglieder

1. Verhaltensänderung

(Ortswechsel, Bekleidungsänderung usw. )

2. Physiologische Reaktionen

P.O. Fanger „ C : Mensch und Raumklima“ , in /Rietschel 94/, p. 127)

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.

Physiologische Reaktionen auf Temperaturstress:

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. 128)

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 [m

²

K / 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/, Tabelle C2-2., p. 129

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 1,35 1,00 0,155 Slip, Strumpfhose, Bluse, langer Rock, Jacke, Schuhe : 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 : 1,50

1,50

0,230

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 /m

²

]

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 5.14

Typische Aktivitäten und Energieumsatz :

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

Aktivität ^{[ W/ m}

²

^{] [met ]}

Sitzen ruhig 58 1

Tätigkeit im Sitzen ( Büro, Schule) 70 1,2

Leichte Tätigkeit im Stehen

(Shopping, Laboratorium, LeichtIndustrie)

93 1,6

Mittlere Tätigkeit im Stehen

(Verkäufer, Hausarbeit,

Maschinenarbeit) 116 2

Bruttoenergieumsatz als

Wärmestromdichte

P.O. Fanger „ C : Mensch und Raumklima“ , in /Rietschel 94/, p. 129 ff

5. Behaglichkeit

5.15

Quelle: e.g. Bernd Glück: „Thermische Bauteilaktivierung“, C.F.Müller Verlag 1999; p.8

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).

Was ist Behaglichkeit:

5.151

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 % insensible Transpiration (Feuchtediffusion mit Hauttrocknung)

•11 % Schweißverdunstung

•11 % Atmung (!)

• 63 % trockene Wärmeabgabe durch Konvektion und Strahlung .

Aufteilung der Wärmeabgabe :

Quelle: e.g. Bernd Glück: „Thermische Bauteilaktivierung“, C.F.Müller Verlag 1999; p.8

Quelle: Fanger, Bild C 2-5 und Bild C 2-6, p. 139

Bild C 2-5. Schweißsekretion (Verdunstung), die für thermische Behaglichkeit notwendig ist, als Funktion der Aktivität

(Gesamtenergieum- satz M ).

Bei höherem Aktivitätsniveau als Stillsitzen wird Schwitzen bevorzugt

Bild C2-6. Hauttemperatur,

die für thermische Behaglichkeit notwendig ist, als Funk tion der Aktivität (Gesamtenergieumsatz).

Mit zunehmender Aktivitilt werden

niedrigere Hauttemperaturen bevorzugt.

T_Skin =35,7- 0,0275.M [°C]

Esw = 0,42 (M - 58) [W/m²]

Thermische Behaglichkeit durch:

Schwitzen und Hauttemperatur

Quelle: Fanger, Bild C 2-7, p. 141

Raumzustände optimaler Behaglichkeit

als Funktion von

Temperatur und Feuchte

mit den Parametern:

relative Luftgeschwindigkeit v_rel [m/s]

Gesamtenergieumsatz M ^[met]

(met..= „metabolic“; 1 met = 58 [W/m²] Bedingungen:

Lufttemperatur = Strahlungstemperatur;

leichte Kleidung (Icl = 0,5 clo )

Raumzustände optimaler Behaglichkeit

5.152

Der PMV-Index (PMV)

.

Zur Quantifizierung der menschlichen Temperaturempfindung wird

eine 7 Punkte Skala

verwendet:

+3 +2 +1 0 -1 -2 -3

heiß warm leicht

neutral

leicht kühl kalt warm kühl

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

5.153 Statistik der Temperaturempfindung: PMV und PPD

PPD: Predicted Percentage of Dissatified

Quelle: Fanger, p. 145

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 0,5 0 - ^0,5 -1 -2 -3

heiß warm leicht

neutral

leicht kühl kalt warm kühl

PPD:

>90% 75% 25% 10%

5%

10% 25% 75% >90%

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.

Predicted Percentage of Dissatified (PPD)

.

PPD =

Predicted Percentage of Dissatified.

Vorhergesagter Prozentsatz der thermisch

unzufriedenen Personen

PMV=

predicted mean vote.

Vorhergesagte mittlere Beurteilung

PPD ( PMV)

Quelle: Fanger, Bild C 2-10, p. 145 und Tabelle C 2-5, p. 146

PMV PPD

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

Optimale Temperatur

als Funktion

von Aktivität und Bekleidung

Optimal heißt:

PMV=0

+- 4°C

+- 4°C +- 5°C

+- 1°C

+- 4°C

Akzeptabler

Temperaturbereich ist groß ( +- 5°C) für hohe Aktivität und

warme Kleidung

Akzeptabler

Temperaturbereich ist klein ( +- 1°C) für gerine Aktivität und

leichte Kleidung