Raummodel für ein behagliches Innenraumklima

Mit Behaglichkeit Das Innenraumklima wird wesentlich durch das Behaglichkeitsempfinden definiert. Die Wahrnehmung und Bewertung der Raumluft aus bauphysikalischer Sicht ist deshalb deutlich (oder Unbehaglichkeit) wird ein individuelles und subjektives Empfinden von Menschen beschrieben. Dabei wird der Begriff synonym für das Wohlbefinden und dgl. verwendet. Diese subjektive Wahrnehmung basiert neben psychischen Aspekten und einem persönlichen Empfinden vor allem auf physikalischen Kenngrößen. Erfahrungsgemäß kann man Innenräume schaffen, in denen sich die meisten Menschen wohl fühlen. Dies gelingt, da man Behaglichkeit im technischen Sinne messen und somit auch steuern kann. Grundlage ist, dass die Behaglichkeit durch drei wesentliche Faktoren beeinflusst wird:

1. Persönliche Faktoren wie z. B. körperlicher und psychischer Zustand, Stimmung, Bekleidung, körperliche Aktivität, Dauer des Aufenthalts,
2. Bauphysikalische Faktoren wie z. B. Temperatur Die Temperatur (lat. temperare = ins richtige Mischungsverhältnis bringen) ist ein messbares Maß für den Wärmeinhalt eines Stoffes. Die Temperatur und Feuchtigkeit in der Luft und der Wandoberflächen, Luftbewegung und -strömungen im Raum, Luftschall (Geräusche),
3. Sonstige Faktoren wie z. B. Luftqualität (Gerüche), Licht, Farben, Materialität, Raumgeometrie, Belegungsdichte (Anzahl der anwesenden Personen) sowie deren Aktivitäten.

Experten unterscheiden die thermische, olfaktorische, visuelle, akustische und hygienische Behaglichkeit. Eine andere Unterteilung erfolgt nach den physikalischen, physiologischen, psychologischen und intermediären Einflüssen. Um die Zusammenhänge zwischen Gebäude und dem Raumklima Als Raumklima wird eine Vielzahl von Faktoren bezeichnet, die in einem Aufenthaltsraum Einfluss auf die Wohnqualität und die Behaglichkeit des mit dem Menschen abbilden zu können, wurde ein einheitliches Raummodel geschaffen, mit dem die Behaglichkeit in Innenräumen objektiv bewertet werden kann. Dieses soll ein grundlegendes Verständnis für das Zusammenspiel und wechselseitige Wirkungen verschiedener Einflussfaktoren schaffen.

Als Pionier auf diesem Gebiet gilt der dänische Ingenieur Ole Fanger. Der Professor am „International Centre for Indoor Environment and Energy“ beschäftigte sich mit thermischer Behaglichkeit und Qualität von Raumluft sowie daraus abzuleitenden gesundheitlichen Aspekten u. a. mit Asthma bei Kindern. Fanger führte u. a. das „Olf“ ein – eine Maßeinheit für die Stärke einer Geruchsquelle. Zahlreiche internationale Normen, darunter die so genannte Behaglichkeitsnorm DIN EN ISO 7730, basieren auf seinem 1971 veröffentlichten Modell des „Predicted Mean Vote“ (PMV) – der im Durchschnitt zu erwartenden Raumklimabewertung. Diese Erkenntnisse wurden im weiteren Verlauf mit Themen rund um den adaptiven thermischen Komfort, den Einfluss bzw. die Beeinflussung von Nutzerverhalten und die körperteilspezifische Behaglichkeit bei Teilklimatisierung erweitert.

Das ursprüngliche Raummodel für ein behagliches Innenraumklima umfasste die Temperatur der Raumluft, Temperatur der Wand-, Boden- und Deckenoberflächen, relative Luftfeuchte, Luftbewegung und -strömungen sowie die Raumluftqualität. Später wurden die Wirkungen der asymmetrischen Strahlung sowie die Unterschiede zwischen der empfundenen und tatsächlichen Temperatur ergänzt und selbst Temperaturunterschiede zwischen der Fuß- und Kopfhöhe werden in heutigen Behaglichkeitssimulationen bewertet. Obwohl Behaglichkeit subjektiv empfunden wird und jeder Mensch andere Ansprüche an „sein“ Raumklima stellt, können heute Behaglichkeitsbereiche definiert werden, in denen sich die meisten Menschen wohlfühlen.

Die wichtigste Kenngröße stellt die Temperatur in ihren unterschiedlichen Facetten dar. Hintergrund ist, dass das Temperaturempfinden des Menschen stark von seinem aktuellen thermischen Gesamtzustand beeinflusst wird. Der Mensch gehört zu den so genannten homoiothermen Organismen. Dies bedeutet, dass die Körpertemperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur weitestgehend konstant gehalten wird. Dies unterscheidet den Mensch von poikilothermen (wechselwarmen) Organismen, deren Körpertemperatur immer nur knapp über der Umgebungstemperatur liegt. Die konstante Kerntemperatur des (gesunden) Menschen liegt bei 37 °C und ist meist höher als die Umgebungstemperatur. Bei einem Unterschreiten der Kerntemperatur unter 32 °C oder einem Anstieg auf über 42 °C drohen irreparable Schäden bis hin zum Tod. Entsprechende Kälterezeptoren (auf der Haut) und Wärmerezeptoren (im Hypothalamus) senden Signale, um Energieproduktion und Energieabgabe im Gleichgewicht und die Körpertemperatur im Bereich idealer Behaglichkeit zu halten. Sinkt die Umgebungstemperatur, werden wichtige Organfunktionen geschützt, indem zunächst die Gliedmaßen durch eingeschränkte Durchblutung abgekühlt werden. Steigt die Umgebungstemperatur, wird zunächst die Durchblutung erhöht und zusätzlich die Hautoberfläche durch Verdunstung (Schwitzen) gekühlt. Die Wärmeübertragung Als Wärmeübertragung wird der Transport von thermischer Energie (Wärme) infolge eines Temperaturunterschiedes innerhalb von Festkörpern durch Wärmeleitung, zwischen Festkörpern und des Menschen erfolgt über Konvektion Die Konvektion ist eine Form der Wärmeübertragung, bei der Wärmeenergie zwischen einem gasförmigen oder flüssigen Medium und einem festen Stoff an die Raumluft, Wärmestrahlung Wärmestrahlung ist neben den Transportmechanismen Wärmeleitung und Konvektion ein weiterer Mechanismus zum Transport von thermischer Energie von einem Ort höherer und Verdunstung und zu einem geringeren Anteil über Wärmeleitung Auf Molekül- und Teilchenbewegungen basierende Form des Wärmetransports in Festkörpern, ruhenden Flüssigkeiten und unbewegten Gasen in Folge eines Temperaturunterschieds, wobei an den Menschen berührende Gegenstände. Ein behagliches Raumklima liegt vor, wenn die Wärmeabgabe und Wärmeerzeugung des menschlichen Körpers in Balance ist – die Wärmebilanz ist ausgeglichen.

Von einem behaglichen Raumklima spricht man, wenn sich die empfundene Raumtemperatur zwischen 18 °C und 21 °C und die tatsächliche Raumtemperatur zwischen 20 °C und 24 °C befindet. Da der Mensch im Sommer leichtere Kleidung trägt, werden Temperaturen auch bis 26 °C noch als behaglich empfunden. Diese Angaben sind von individuellen Kriterien wie Alter, Geschlecht, Bekleidung und Aktivität abhängig. Hierbei richten sich die Raumtemperaturen nach der Nutzung. Die genannten Temperaturen von 20 °C bis 24 °C gelten für Wohn- und Kinderzimmer sowie Bäder. Für Schlafzimmer und Küchen werden dagegen 18 °C bis 20 °C als angenehm empfunden.

Die Hautoberfläche ist der kontinuierliche Wärmetauscher des Menschen. Ein normal bekleideter Mensch hat bei einer Raumlufttemperatur von 22 °C eine Oberflächentemperatur Entgegen der allgemeinen Auffassung beschreibt die Oberflächentemperatur nicht den Temperaturbereich auf einer Baustoff- oder Bauteiloberfläche. Vielmehr ist der Grenzbereich zwischen von ca. 34 °C auf der Haut. Der Temperaturunterschied zwischen Körperoberfläche und Umgebungsluft bedingt einen ständigen Wärmeverlust des Körpers. Dies erfolgt über vier verschiedene Mechanismen: durch Wärmestrahlung zwischen der Körperoberfläche und den Umgebungswänden, durch Wärmeleitung von der Körperoberfläche an direkt berührte Bauteile oder Gegenstände, durch Verdunstung wie Atmung und Schweiß sowie durch Wärmeübergang als Folge von der an der Körperoberfläche vorbeiströmenden Luft. Durch diese Wärmeabgabe empfindet der Mensch die gefühlte Temperatur anders als die tatsächliche Temperatur in Innenräumen. Diese kann über folgende Formel berechnet werden: Die Empfindungstemperatur setzt sich zusammen aus der Summe aus Oberflächentemperatur + Lufttemperatur Als thermodynamische Zustandsgröße beschreibt die Lufttemperatur den Wärmezustand der Luft. Im Zusammenhang mit der Bauklimatik und Gebäudeklimatologie spielen die Außenluft-, , geteilt durch zwei.

Die empfundene Temperatur im Raum sollte sich um weniger als 0,8 °C ändern. Die von einem Menschen empfundene Behaglichkeit hängt außerdem von den Oberflächentemperaturen der raumumschließenden Flächen eines Raumes wie Wände, Decken und Böden ab sowie ggf. der Fenster, wenn diese eine entsprechende Größe übersteigen und z. B. bodengleich bis zur Decke ausgeführt werden. Der Mensch steht mit diesen Flächen im Strahlungsaustausch. Die mittlere Strahlungstemperatur lässt sich gezielt beeinflussen, z. B. durch Heizflächen im Boden (Fußbodenheizung) oder an Wänden (Wandheizung) oder an Decken (Kühldecken). Um die Thermische Behaglichkeit Siehe Behaglichkeit. zu erreichen, sollten Wände, Decken und Böden sowie Bauteile wie dreifach verglaste Fenster eine Oberflächentemperatur von mindestens 18 °C bis 19 °C aufweisen. Temperaturen darunter werden als unangenehm wahrgenommen.

Mit den heute geltenden Wärmeschutzvorschriften können diese Behaglichkeitskriterien im Bereich der Gebäudehülle problemlos eingehalten werden. Bei bestehenden Gebäuden führen allerdings Fenster z. B. mit einem U-Wert von über 2,6 W/(m² K) zu unbehaglichen Oberflächentemperaturen. Bei Fußböden kommt es zudem auf die Art der Bodenbeläge an. Bodenbeläge, die nicht als „fußwarm“ wahrgenommen werden, also eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen wie z. B. Fliesen und keramische Plattenbeläge, müssen in der Regel Temperaturen von mindestens 28 °C aufweisen, um als behaglich wahrgenommen zu werden. Besonders bei sitzenden Tätigkeiten wird das Unterschreiten der Mindesttemperatur empfindlich wahrgenommen.

Die Behaglichkeit in Innenräumen kann zudem durch so genannte Kaltluftseen erheblich beeinträchtigt werden. Hierbei handelt es sich um kalte Luftschichten am Fußboden, die sich durch das Einströmen kalter Luft z. B. durch Leckagen in der Gebäudehülle oder durch Lüftungsklappen und in seltenen Fällen durch Dunstabzugshauben ergeben können. Man kennt diese Kaltluftseen z. B. auch von Gebirgstälern, wenn sich bei Windstille kalte Luft ansammelt und nicht abfließen kann.

Von einem behaglichen Raumklima spricht man, wenn sich die Oberflächentemperatur der Wände bei 19 °C bis 20 °C, von Fußböden bei 20 °C bis 22 °C (bei Fliesen und keramischen Plattenbelägen bei 22 °C bis 28 °C) und bei Decken bei 18 °C bis 19 °C befindet.

In geschlossenen Räumen entsteht durch das Aufsteigen warmer (leichter) Luft z. B. über Heizkörpern und durch das Sinken kalter (schwerer) Luft z. B. an oder vor kalten Wänden immer eine gewisse Luftbewegung. Normalerweise wird diese Konvektion nicht wahrgenommen. Steigt diese Luftbewegung allerdings auf über 0,1 Meter pro Sekunde wird diese wahrgenommen, bei über 0,2 m/s wird diese Luftbewegung als unangenehm und bei mehr als 0,3 m/s als störende Zugluft empfunden. Der Mensch reagiert auf Zugluft empfindlich, weil durch sie seine Wärmeabgabe durch Konvektion und Verdunstung erhöht wird. Zugluft nimmt der Mensch umso stärker wahr, je kälter sie ist und je konstanter sie aus einer Richtung kommt. Infolgedessen wird diese Luftbewegung besonders kritisch bei Klimaanlagen im Sommer wahrgenommen.

Von einem behaglichen Raumklima spricht man, wenn die Luftbewegung innerhalb eines Raumes die Geschwindigkeit von 0,2 m/s nicht übersteigt.

Plausible Messpunkte zur Bestimmung der thermischen Behaglichkeit sind der Knöchel- sowie Kopf- und Nackenbereich von sitzenden und stehenden Personen und somit die Raumtemperatur in einer Höhe von 0,1 Meter (entspricht dem Knöchelbereich), von 1,1 Meter (entspricht dem Kopf- bzw. Nackenbereich einer sitzenden Person) und von 1,7 Meter (entspricht dem Kopf- bzw. Nackenbereich einer stehenden Person) über dem Fußboden. Die Temperaturdifferenz in der vertikalen Achse eines Menschen (zwischen Kopf und Knöchel) sollte 3 °C nicht übersteigen.

Von einem behaglichen Raumklima spricht man, wenn die Temperatur im Kopfbereich nicht mehr als 3 °C gegenüber dem Fußbereich auseinander liegt.

Die relative Luftfeuchte bezeichnet das Verhältnis von tatsächlichem Dampfgehalt der Luft zum maximal möglichen Dampfgehalt der Luft in Innenräumen. Diese sollte mindestens 40% betragen. Als allgemein angenehm wird eine relative Luftfeuchte von 50 bis 55% empfunden. Hintergrund ist, dass eine zu geringe Luftfeuchte die Schleimhäute austrocknen lässt und somit die Abwehrkräfte schwächt. Eine zu hohe Luftfeuchtigkeit In der Umgebungsluft befinden sich stets mehr oder weniger große Mengen an Wasserdampf. Der Anteil an Wasserdampf kann örtlich und dagegen empfinden Menschen als unangenehm, weil die körpereigene Temperaturregulierung eingeschränkt ist.

Von einem behaglichen Raumklima spricht man, wenn die relative Luftfeuchte zwischen 50 und 55% liegt.

Ein wichtiger Parameter für die Behaglichkeit von Innenräumen ist die Raumluftqualität. Diese sollte sauerstoffreich, geruchsneutral und schadstoffarm sein. Ein wichtiger Indikator stellt hierbei die mit Kohlendioxid (CO₂) angereicherte Luft beim Ausatmen dar. Ist die CO₂-Konzentration höher als 0,15 Volumen-Prozent wird diese als „schlechte“ oder verbrauchte Luft wahrgenommen. Als Grenzwert Als Grenzwert gilt ein Schwellenwert mit gesetzlich bindender Wirkung. Die Ableitung von Grenzwerten ist nur für Stoffe und Umweltnoxen mit zur Beurteilung der Raumluftqualität gilt der Pettenkofer-Wert. Er sollte eine CO₂-Konzentration von 0,1 % in der Raumluft nicht übersteigen. Höhere Konzentrationen sind nur kurzzeitig tolerierbar. Je länger die CO₂-Konzentration ansteigt, umso mehr nehmen die gesundheitlichen Beschwerden (Kopfschmerzen, Müdigkeit, Konzentrationsschwierigkeiten bis hin zu Atemnot) zu.

Neben der Kohlendioxidkonzentration bestimmen auch Schadstoffe Schadstoffe sind definiert als chemische Elemente oder Verbindungen mit nachgewiesener oder vermuteter schädigenden Wirkung auf Mensch und Umwelt (Tier, Pflanze (z. B. Schwefeldioxid, Stickstoffe und aromatische Kohlenwasserstoffe, vor allem Benzol sowie MVOC Abkürzung für microbial volatile organic compounds = mikrobielle flüchtige organische Verbindungen. Bei Auftreten von Schimmelpilzen infolge von Feuchtigkeitsschäden oder bei ) und das Geruchsempfinden (z. B. Schweißgeruch oder Duftstoffe) die Qualität der Innenraumluft. In der Innenraumdiagnostik wird zwischen der Geruchsquelle und der empfundenen Luftqualität unterschieden. Die Geruchsquelle wird in Olf (von olfaktorisch) angegeben, wobei ein Olf dem „normalen“ Geruch Der Begriff Geruch kommt aus dem Lateinischen (Olfactus = Geruch) und beschreibt die Interpretation von Erregungen, die von Chemorezeptoren im einer Durchschnittsperson (erwachsen, geduscht, sitzend) entspricht. Die empfundene Luftqualität wird in Dezipol (von pollution) ausgedrückt. Ein Dezipol beschreibt die empfundene Luftqualität, die eine Durchschnittsperson (1 Olf) in einem Raum verursacht, der mit 10 l/s reiner Luft belüftet wird.

Eine hohe Kohlendioxidkonzentration, Schadstoffe und Gerüche lassen sich durch eine ausreichende Lüftung Lüftung in einem Gebäude ist unentbehrlich. Sie ist eine Grundanforderung an die Nutzbarkeit von Räumen und Gebäuden, die bei der entfernen. Bei der Ermittlung einer ausreichenden Lüftung ist die so genannte Luftwechselrate hilfreich. Mit der Luftwechselrate Der Austausch der Luft pro Stunde wird als Luftwechselrate β bezeichnet. Die Einheit ist 1/h. Eine Luftwechselrate von 1/h bedeutet, oder auch Luftwechselzahl Die Luftwechselzahl bezieht sich auf das Luftvolumen eines Raumes und gibt an, wie oft die Luftmenge pro Stunde umgewälzt (ausgetauscht) lässt sich eine grobe Dimensionierung der Lüftung festlegen. Diese ergibt sich aus dem Quotient aus Außenluftvolumenstrom Von raumlufttechnischer Anlage angesaugte Außenluftmenge. und Raumluftvolumen. Die Zahl mit der Einheit 1/h oder h⁻¹ (pro Stunde) gibt an, wie oft das Raumluftvolumen in einer Stunde gegen Außenluft ausgetauscht werden muss. Anhand des Grenzwertes von 0,1% für die CO₂-Konzentration kann als Richtwert Ein Richtwert ist ein Vorsorgewert nach dem Minimierungsgebot. Er basiert auf dem aktuellen Erfahrungs- und Wissensstand und greift in der für den Außenluftbedarf 30 m³/h je Person angesetzt werden – ein Richtwert, der auch in den einschlägigen Regelwerken übernommen wurde. Bei Räumen, die mit Schadstoffen belastet sind, in denen geraucht wird oder die von exponierten Risikogruppen (z. B. Allergiker, Kranke, Säuglinge) genutzt werden, muss die Luftwechselrate entsprechend höher sein.

Von einem behaglichen Raumklima spricht man, wenn die Raumluft reich an Sauerstoff, geruchsneutral und schadstoffarm ist. Die CO₂-Konzentration sollte nicht über 0,1 % liegen.

Um ein behagliches Innenraumklima zu simulieren, werden computergestützte Programme wie z. B. THERAKLES eingesetzt. Das Simulationsprogramm berechnet das dynamische thermische oder hygrothermische Verhalten von Innenräumen und Gebäuden. Als Planungstool dient es Fachplanern im Bereich der Bauklimatik und technischer Gebäudeausrüstung, um Aussagen über thermische Behaglichkeit und Energieeffizienz in Abhängigkeit von instationären Einflüssen treffen und/oder um die thermische Behaglichkeit ganzjährig optimieren und gleichzeitig den Energiebedarf für Heizung und Klimatisierung senken zu können.