Kühler Kopf trotz Sommerhitze

Projektinfo 04/2016
Energieforschung konkret
Kühler Kopf
trotz Sommerhitze
Wissenschaftler untersuchen wie angenehmes Arbeiten auch
in nicht klimatisierten Gebäuden im Sommer möglich sein kann
Viele Bestandsgebäude im Büro- und Verwaltungsbereich sind nicht klimatisiert. Steigen im Sommer
die Temperaturen an, wirkt sich dies negativ auf den
thermischen Komfort der Nutzer aus. Wissenschaftler
analysierten wie sich ein verbesserter Sonnenschutz und
der Einsatz von Deckenventilatoren auf Nutzerverhalten
und -zufriedenheit auswirken. So genannte Komfortmodelle
bilden weitere wichtige Einflussfaktoren ab.
Dieses Forschungsprojekt
wird gefördert vom
Bundesministerium für Wirtschaft
und Energie (BMWi)
Komfortmodelle dienen dazu, die thermische Behaglichkeit in Gebäuden objektiv
beurteilen und modellieren zu können. Sie sind unter anderem Bestandteil von
Normen, die das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz
von Gebäuden festlegen. Gängig sind das PMV (Predictive Mean Vote) – Modell
sowie das adaptive Modell. Bei Letzterem wird davon ausgegangen, dass der
Mensch sich physiologisch, psychologisch und durch sein Verhalten an wechselnde
Umgebungsbedingungen anpasst. Wie hoch der Einfluss dieser Faktoren ist, untersuchten Mitarbeiter des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) im Rahmen
des Projektes „Passiv Kühl“.
Um die erforderlichen Daten zu gewinnen, führten die Forscher Felduntersuchungen
in sechs Bürogebäuden in Karlsruhe und Stuttgart durch. Weiterhin fanden verschiedene Versuchsreihen in einer experimentellen Raumzelle (btga-Box) auf
dem Campus der Universität Wuppertal sowie in dem Teststand LOBSTER (Laboratory for Occupant Behaviour, Satisfaction, Thermal Comfort and Environmental
Research) auf dem Campus des Karlsruher Instituts für Technologie statt. Im
LOBSTER können die Probanden und Versuchsleiter das Raumklima sowohl manuell
als auch automatisiert beeinflussen. Vollklimauntersuchungen an der Technischen
Universität Dänemark im dänischen Lyngby ergänzten die Versuche.
Eine Einflussgröße auf den thermischen Komfort ist
die Erwartung der Nutzer. An neue oder modernisierte
Gebäude stellen Nutzer unabhängig vom gewählten
Klimatisierungskonzept höhere Anforderungen an den
thermischen Komfort. Dadurch ist Zufriedenheit mit dem
Raumklima schwerer zu erreichen: Bei aktiv gekühlten
Gebäuden erwarten die Nutzer im Sommer kühlere
Temperaturen, als etwa in passiv gekühlten Gebäuden
und sind schneller unzufrieden, wenn es warm wird.
Bei den Versuchen in der btga-Box zeigte sich, dass
Nutzer mit dem thermischen Komfort zufriedener sind,
wenn sie das Raumklima selber beeinflussen können,
also über subjektive Kontrollmöglichkeiten verfügen
(Abb.1). Dazu zählt etwa die Möglichkeit das Fenster zu
öffnen oder ein individuell bedienbarer Sonnenschutz.
Sind diese komfortsteigernden Maßnahmen effektiv,
wirkt sich dies positiv auf die Zufriedenheit aus.
Die Versuche in Lyngby hatten zum Ziel, saisonale Unterschiede in den physiologischen Reaktionen und deren
Auswirkungen auf die Bewertung der thermischen Bedingungen aufzuzeigen. Die Studie ergab, dass die Akzeptanz erhöhter Temperaturen im Sommer höher ist, als im
Winter. Während es beim thermischen Empfinden keine
signifikanten Unterschiede zwischen den Jahreszeiten
gibt, zeigten sich Differenzen bei der Akzeptanz. Im
Sommer tolerieren Nutzer hohe Innenraumtemperaturen zwischen 27 °C und 29 °C eher als im Winter. Noch
wärmere Temperaturen werden unabhängig von der
Jahreszeit als unakzeptabel bewertet (Abb.2).
Im Teststand LOBSTER untersuchten die Wissenschaftler
unter anderem wie die Bürobelegung das Komfortempfinden beeinflusst. Die Probanden konnten das
Raumklima über das Öffnen des Fensters und den Einsatz von Sonnenschutz und Deckenventilator beeinflussen. Es zeigte sich, dass die empfundene Raumtemperatur mit der Anzahl der Personen im Büro stieg.
Je mehr Personen im Raum waren, umso schlechter wurde die Bewertung des thermischen Komforts. Um dies
auszugleichen, müssten im Sommer die Temperaturen
möglicherweise mit der Anzahl der Personen im Büro
sinken. Dies hätte jedoch einen erhöhten Energiebedarf
für die Kühlung zur Folge. Um diese Erkenntnisse auf
eine allgemeingültige Basis zu stellen, müssen noch weitere Untersuchungen erfolgen. Ein weiteres Ergebnis war,
dass der Zustand des Ventilators mehr Konflikte zwischen
den Testpersonen verursachte als der des Fensters.
Thermal Sensation Vote
BINE-Projektinfo 04/2016
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
– 0,5
Sitzungstyp
A
0
ohne Kontrolle
B
mit Kontrolle
Sitzungstyp O: Referenzbedingung bei moderater Innenraumtemperatur und
bei Außentemperaturen zwischen ca. 10 und 20 °C
Sitzungstyp A: technisch erhöhte Innenraumtemperatur über Kühldecke,
Außentemperatur: ca. 10 – 20 °C, daher geringe physiologische und
psychologische Adaptation (Bedingungen wirken unnatürlich warm)
Sitzungstyp B: natürlich erhöhte Innenraumtemperatur nach längerer
außenklimatischer Warmphase (Außentemperatur im Tagesmittel: >20 °C),
daher erhöhte physiologische und psychologische Adaptation
(Bedingungen wirken natürlich warm)
Abb. 1 Die Komfortbewertung fällt positiver aus, wenn Kontrollmöglichkeiten
bestehen. Werte zwischen – 1 und + 1 gelten als komfortable Bewertung.
Die Untersuchungen wurden mit 17 Probanden in 109 Sitzungen durchgeführt.
Spätsommer
Thermal acceptability
2
Winter
clearly 1
acceptable
Just
acceptable
0
just
unacceptable
*
Pairedt-test; *: p<0.05
clearly
unacceptable – 1
0
30
60
exposure time [min.]
24.0
24.0
25.9
AirTemperature [°C]
90
120
150
180
210
240
27.7
29.6
31.5
33.3
35.2
35.2
Abb. 2 Im Sommer ist die Akzeptanz der Nutzer gegenüber erhöhter Temperaturen
(27 ° bis 29 °C) höher als im Winter. Zu sehen sind die durchschnittlichen Bewertungen
der 48 Probanden, die an beiden Jahreszeiten teilgenommen haben.
Gängige Komfortmodelle miteinander verknüpft
Als ein Ergebnis ihrer Untersuchungen kombinierten
die Forscher des KIT das PMV-Modell und das adaptive
Modell (Infobox). Für das neue adaptive Bilanzmodell
(ATHB) wurden Koeffizienten für verhaltensbasierte,
physiologische und psychologische Adaptation definiert.
Es sind sowohl die Einflussgrößen Lufttemperatur,
Luftfeuchtigkeit, Strahlungstemperatur, Luftgeschwindigkeit, Bekleidungsgrad und Aktivitätsgrad aus dem
PMV-Modell als auch der gleitende Mittelwert der Außentemperatur aus dem adaptiven Modell enthalten.
Außerdem besteht die Möglichkeit, weitere Faktoren
mit aufzunehmen. Beispiele hierfür sind psychologische Faktoren, wie die „Wahrgenommene Kontrolle“,
aber auch gebäudebezogene Faktoren wie die Art der
Klimatisierung oder die Belegungsdichte. Werden diese und weitere Koeffizienten in das erweiterte Modell
integriert, kann das Komfortempfinden der Nutzer für
unterschiedliche Klimatisierungsvarianten bereits in
der Planungsphase eines Gebäudes besser vorhergesagt werden. Von
Vorteil ist, dass die verschiedenen Einflussgrößen nun mit einem einzigen
Modell berechnet werden können. Allerdings konnten die Wissenschaftler
die Ergebnisse noch nicht mit einer großen Stichprobe validieren. Das
heißt, die bisherigen Werte für die Koeffizienten gelten nur vorläufig. Damit
der Ansatz als allgemein gültig angesehen werden kann, ist noch eine
breitere Datenbasis erforderlich.
Langfristig planen die Forscher des KIT das bisher entwickelte erweiterte
Komfortmodell auch auf das Individuum anzupassen. Zusätzlich sollen die
bisherigen Erkenntnisse mit einer größeren Datenbasis validiert werden.
Im Rahmen des Annex 69 der Internationalen Energieagentur findet eine
Weiterentwicklung des adaptiven Komfortmodells statt. Hier sind auch
Wissenschaftler des KIT eingebunden.
Statischen Sonnenschutz optimieren
Im Rahmen des Projektes „Passiv Kühl“ entwickelten Wissenschaftler der
Universität Wuppertal ein Software-Tool, mit dem die Dimensionierung eines
BINE-Projektinfo 04/2016
Komfortempfinden im Modell
Abb. 3 Statischer Sonnenschutz am Mathematik-Gebäude
Campus Süd des Karlsruher Institut für Technologie
Abb. 4 Rasterdecke mit integriertem, arbeitsplatzbezogenem Ventilator:
Neben dem Ventilator sind zwei LED-Leuchten installiert. Im Randbereich der
Decke befinden sich Streckmetallpanele.
statischen Sonnenschutzes (Abb.3) optimiert werden kann. Dabei erfolgt
die geometrische Formfindung automatisiert durch ein Simulationsverfahren, das sowohl die Materialeigenschaften als auch Energie- und Komfortaspekte berücksichtigt.
Ein statischer Sonnenschutz reduziert die sommerliche Wärmebelastung.
Ein beweglicher, durch den Nutzer individuell bedienbarer Blendschutz
(z.B. Rollo oder Jalousie) wird aber nicht überflüssig. Allerdings verändert
ein statischer Sonnenschutz die Nutzungshäufigkeit des beweglichen
Systems. Sie werden seltener erforderlich. Damit vergrößert sich die Zeit,
in der ein freier Ausblick aus einem Fenster möglich ist. Mit dem Simulationsverfahren können diese Veränderungen ermittelt werden.
Mehr Komfort und Nutzerzufriedenheit mit Deckenventilatoren
Eine erhöhte Luftbewegung ist für den thermischen Komfort bei hohen
Temperaturen von Vorteil. Dazu liegen bereits vielfache Untersuchungen
vor. Gemäß DIN EN ISO 7730 korreliert ein Anstieg der Luftgeschwindigkeit
am Körper um 0,5 m/s damit, dass der Komfortbereich um etwa 1,7 Kelvin
Das PMV (Predictive Mean Vote) – Modell basiert
auf Klimakammeruntersuchungen des dänischen
Professors Ole Fanger. Das Modell soll das mittlere
Votum einer Gruppe von Personen zur thermischen
Behaglichkeit unter bestimmten Bedingungen voraussagen. Die Einflussgrößen hierauf sind Luft
temperatur, Luftfeuchtigkeit, Strahlungstemperatur,
Luftgeschwindigkeit, Bekleidungsgrad und Aktivitätsgrad. Das Modell basiert auf der Energiebilanz
des menschlichen Körpers: Der Mensch fühlt sich
komfortabel, wenn die abgegebene Energie gleich
der Energiemenge im Körperinneren ist, welche
durch Stoffwechselprozesse und Aktivität erzeugt
wird.
Das adaptive Modell basiert auf Felduntersuchungen.
Es wird davon ausgegangen, dass sich der Mensch
an wechselnde Umgebungsbedingungen anpassen
kann. Diese Adaptation erfolgt durch das Verhalten
(z.B. Öffnen des Fensters), physiologisch (z.B. verminderte Schweißrate bei längerer Zeit unter warmen
Bedingungen im Sommer) und psychologisch (z.B.
veränderte Erwartungshaltung).
Die Normung (DIN EN 15251) schreibt vor, dass das
adaptive Modell bei Gebäuden angewendet werden
soll, in denen die Nutzer Möglichkeiten zur Adaptation
haben. Wenn dies nicht der Fall ist, muss das PMVModell verwendet werden. Dieses kommt ebenfalls
zum Einsatz, wenn die Außentemperaturen unter
den Anwendungsbereich des adaptiven Modells fallen, das heißt unterhalb von 10 Grad. Im adaptiven
Modell ist momentan die einzige Variable der gleitende Mittelwert der Außentemperatur.
Das im Projekt entwickelte adaptive Wärmebilanzmodell (ATHB) verknüpft den Ansatz des adaptiven
Komfortmodells mit existierenden Wärmebilanzmodellen wie dem PMV-Modell.
nach oben hin erweitert wird. Vor diesem Hintergrund
ist der Einsatz von Deckenventilatoren in Büroräumen
interessant. An der Universität Wuppertal wurden dazu
klassische Deckenventilatoren hinsichtlich Energieeffizienz, Wirksamkeit und Nutzerakzeptanz experimentell untersucht. Zusätzlich wurden neue Konzepte
entwickelt. Die wahrgenommene Luftgeschwindigkeit
empfanden die Probanden zum Großteil als angenehm. Die Nutzer überzeugte vor allem, dass die Wirkung der Deckenventilatoren ohne Zeitverzögerung
spürbar und deren Funktionsweise sichtbar und leicht
nachvollziehbar ist. Auf dieser Basis wurde ein Konzept speziell für angehängte Akustikdecken, die häufig
in Bestandsgebäuden zu finden sind, entwickelt (Abb.4).
Dabei wird ein energieeffizienter Kleinventilator (6 W)
unmittelbar über dem Arbeitsplatz in ein Rasterfeld integriert und individuell via Rechner-Applet angesteuert. So können auch individuelle Präferenzen berücksichtigt werden.
In weiteren Forschungen der Bergischen Universität
Wuppertal soll die Integration von Deckenventilatoren
in ein angepasstes Nachtlüftungskonzept untersucht
werden.
3
BINE Projektinfo 01/2010
BINE-Projektinfo
04/2016
Befragung zeigt Optimierungsbedarf
Häufig sind die Nutzer mit dem empfundenen thermischen Komfort im Sommer
sowohl in klimatisierten auch in passiv gekühlten Gebäuden unzufrieden. In einer
früheren Untersuchung des KIT bewerteten die Nutzer im Mittelwert fast alle der neun
abgefragten Kriterien zur Komfortbewertung positiv. Zu diesen Faktoren zählen zum
Beispiel die Nutzerfreundlichkeit des Gebäudes, die Akustik oder der Sonnen- und
Blendschutz. Eine Ausnahme stellte die Bewertung des thermischen Komforts im
Sommer dar: Temperatur und Luftqualität im Sommer wurden im Durchschnitt negativ
beurteilt. Dies zeigt, dass in diesem Bereich noch Optimierungsbedarf besteht.
Das Fachgebiet Bauphysik und Technischer Ausbau (fbta) am KIT wertete für seine
Untersuchungen 4336 Fragebögen zu 45 Gebäuden aus. Zu einzelnen Gebäuden
liegen nähere Ergebnisse vor. Ortsbegehungen und Messungen liefern ergänzende
Informationen, die in die Analysen und Ergebnisse mit einfließen und die Ergebnisse
der Nutzerbefragungen ergänzen.
So führten die Wissenschaftler etwa in einem Gebäude mit Büro- und Laborflächen
(13.150 m2 beheizte Nettogrundfläche) Teilerhebungen zu Komfortbedingungen
in 15 ausgewählten Räumen in allen vier Jahreszeiten durch. Das Gebäude verfügt
über passive Kühlung mit Nachtlüftung sowie eine tageslichtoptimierte Fassaden
gestaltung. Es zeigte sich, dass 62 % der Befragten im Sommer mit der Temperatur
an ihrem Arbeitsplatz eher unzufrieden waren. Laut DIN EN 15251 wäre hier ein Wert
von 7 % zu erwarten. Die hohe Unzufriedenheit könnte damit zusammenhängen,
dass fast alle befragten Nutzer sowohl in ungekühlten Büroräumen als auch in
klimatisierten Laborräumen arbeiten. Dieser Wechsel kann die Bewertung der
Temperatur beeinflussen. Hinzu kommt, dass Messperiode und Befragung in einen
Zeitraum mit sehr hohen Außentemperaturen fielen.
Weitere Untersuchungen fanden in einem Verwaltungsgebäude (22.610 m2 beheizte
Nettogrundfläche) mit regenerativ passiver Kühlung über einen Erdwärmetauscher
sowie freier Nachtlüftung statt. Verschiedene Maßnahmen sollten hier die Nutzer
zufriedenheit erhöhen. So wurden die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter zum Beispiel
intensiv in der Nutzung der außen liegenden Jalousien geschult. Dadurch verbesserte
sich das Raumklima kontinuierlich. Zusätzlich wurde der Betriebszustand der Lüftungsanlage an den Bürotüren visualisiert. Bei hohen Temperaturen im Sommer und
bei niedrigen Außentemperaturen im Winter ist die Lüftungsanlage eingeschaltet.
Bei mittleren Außentemperaturen lüften die Mitarbeiter über ihre Bürofenster.
Projektbeteiligte
>> Forschung Komfortmodell: Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Prof. Andreas Wagner;
Dr. Marcel Schweiker, [email protected]; Dipl.-Psych. Maren Hawighorst
>> Forschung Ventilatoren, Statischer Sonnenschutz: Bergische Universität Wuppertal,
Prof. Dr.-Ing. Karsten Voss, [email protected]
Links und Literatur
>> www.enob.info
>> Wagner, A.; Höfker, G.; Lützkendorf, T.; Moosmann, C.; Schakib-Ekbatan, K.; Schweiker, M.:
Nutzerzufriedenheit in Bürogebäuden. FIZ Karlsruhe. BINE Informationsdienst, Bonn (Hrsg.).
Stuttgart: Fraunhofer IRB Verl., 2015. 224 S., 59,00 Euro, ISBN 978-3-8167-9305-2 (Print),
ISBN 978-3-8167-9306-9 (E-Book)
>> Schweiker, M. & Wagner, A. A framework for an adaptive thermal heat balance model (ATHB)
Building and Environment , 2015, 94, 252 - 262
>> Voss, K.; Voß, T.: Integrated design approach for improving personal summer thermal comfort in
existing office buildings with suspended ceilings, in: „Proceedings of Clima 2016“
Mehr vom BINE Informationsdienst
>> Nutzerverhalten bei Sanierungen berücksichtigen. BINE-Projektinfo 2/2015
>> D
ieses Projektinfo gibt es auch online und in englischer Sprache unter
www.bine.info/Projektinfo_04_2016
BINE
Informationsdienst berichtet aus Projekten der Energieforschung in seinen Broschürenreihen
und dem Newsletter. Diese erhalten Sie im kostenlosen Abonnement unter www.bine.info/abo
Impressum
Projektorganisation
Bundesministerium
für Wirtschaft und Energie (BMWi)
11019 Berlin
Projektträger Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
Matthias Hensel
52425 Jülich
Förderkennzeichen
0327241D
ISSN
0937-8367
Herausgeber FIZ Karlsruhe · Leibniz-Institut
für Informationsinfrastruktur GmbH
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Autorin
Birgit Schneider
Urheberrecht
Titelbild: Daniel Vieser.
Architekturfotografie, Karlsruhe,
www.dv-architekturfotografie.de
Abbildungen 1 und 2:
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Abbildung 3: Universität Wuppertal, btga
Abbildung 4: © stephan baumann,
karlsruhe, www.bild-raum.com
Eine Verwendung von Text und
Abbildungen aus dieser Publikation ist
nur mit Zustimmung der BINE-Redaktion
gestattet. Sprechen Sie uns an.
Kontakt · Info
Fragen zu diesem Projektinfo?
Wir helfen Ihnen weiter:
0228 92379-44
[email protected]
BINE Informationsdienst
Energieforschung für die Praxis
Ein Service von FIZ Karlsruhe
Kaiserstraße 185-197
53113 Bonn
www.bine.info
Konzept und Gestaltung: iserundschmidt GmbH, Bonn – Berlin · Layout: KERSTIN CONRADI Mediengestaltung, Berlin
4

Download Report