Auslegungskriterien für thermische Behaglichkeit - YIT Group

Technischer Bericht
Auslegungskriterien
für thermische Behaglichkeit
TB 69 / 2007
Raumlufttechnische Komponenten

2
Kategorien der thermischen Behaglichkeit
Hinsichtlich der thermischen Behaglichkeit in Komfortanlagen
definiert die europäische Norm EN ISO 7730
drei Kategorien des Raumklimas, bei denen ein bestimmter
Prozentsatz der Unzufriedenen (PPD) erwartungsgemäß
unterschritten wird. Dabei wird berücksichtigt,
dass die Unzufriedenheit sowohl wegen zu hoher
Raumluftgeschwindigkeiten (Zugluftrisiko DR in %), als
auch wegen zu hohem vertikalen Temperaturunterschied,
zu hoher Strahlungstemperatur-Asymmetrie und
unangenehmer Fußbodentemperaturen auftreten kann.
Die drei Kategorien sind im Tabelle 1 dargestellt.
Kategorie
PPD
%
DR
%
vertikalem
Lufttemperaturunterschied
% Unzufriedener mit
Strahlungstemperatur-
Asymmetrie
Bodentemperatur
A

Für Industrieanlagen sind die zulässigen Raumluftgeschwindigkeiten
in VDI 3802, Dezember 1998 (Raumlufttechnische
Anlagen für Fertigungsstätten) vorgegeben.
Hier sind nach Bild 2 die zulässigen mittleren
Raumluftgeschwindigkeiten in Abhängigkeit der Aktivitätsstufe
und der Bekleidung, jedoch unabhängig vom
Turbulenzgrad definiert. Die Art der Bekleidung bzw.
deren Wärmeleitwiderstand wird in clo ausgedrückt.
Es bedeuten:
0,6 clo: leichte Arbeitskleidung (Hemd)
0,9 clo: normale Arbeitskleidung
1,3 clo: schwere Arbeitskleidung (Schutzjacke)
In Industriehallen kommen noch die Aktivitätsstufen III
und IV hinzu:
Aktivitätsstufe III: 2 met (mäßig schwere Tätigkeit im
Stehen).
Aktivitätsstufe IV: 2,5 met (schwere Tätigkeit im Stehen).
zulässige mittlere Luftgeschwindigkeit u in m/s
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
15
Auslegungskriterien für thermische Behaglichkeit
Beispielsweise sind in einer Industriehalle bei
– Raumlufttemperatur 26°C
– Aktivitätsstufe III (2 met)
– Bekleidung 0,9 clo
Raumluftgeschwindigkeiten bis max. 0,41 m/s zulässig
Bei einer Raumtemperatur von 28 °C – und sonst
gleichen Bedingungen – dürfen die Raumluftgeschwindigkeiten
max. 0,45 m/s betragen.
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Lufttemperatur in °C
R
clo 1,3
clo 0,9
clo 0,6
Bild 2: Zulässige mittlere Raumluftgeschwindigkeiten in Fertigungsstätten nach VDI 3802, Dezember 1998
met 2,5
met 2,0
met 1,5
3

4
Einhaltung der zulässigen Raumluftgeschwindigkeiten
Turbulente Mischlüftung
Die Einhaltung der zulässigen Raumluftgeschwindigkeiten
gemäß Bild 1 und 2 richtet sich im wesentlichen
nach folgenden physikalischen Größen:
1. Maximale Temperaturdifferenz zwischen Zuluft und
Raumluft im Kühlfall.
2. Spezifischer Luft-Volumenstrom pro m² Bodenfläche.
Für Luftdurchlässe der turbulenten Mischlüftung von
KRANTZ KOMPONENTEN gelten folgende Grenzkriterien:
1. Maximale Temperaturdifferenz
für Luftdurchlässe, die eine dreidimensionale diffuse
Raumluftströmung ohne Raumluftwalzen erzeugen:
Deckendrallauslässe
Radialauslässe
Radialer Lamellenauslass
Fächerauslass
Induktivauslass
Weitstrahlauslass
max =–12K
max =–10K
für Luftdurchlässe, die eine zweidimensionale diffuse
Raumluftströmung mit Raumluftwalzen erzeugen:
Linearer Wirbelauslass
Wandschlitzauslass
Weitwurfdüse
Breitfächerauslass
Brüstungsauslass
Auslegungskriterien für thermische Behaglichkeit
max =–8K
max =–10K
2. Maximaler spezifischer Luft-Volumenstrom
Nach Bild 3 für Luftdurchlässe, die eine dreidimensionale
diffuse Raumluftströmung erzeugen.
Nach Bild 4 für Luftdurchlässe, die eine zweidimensionale
diffuse Raumluftströmung erzeugen.
Der maximale spezifische Luft-Volumenstrom ist abhängig
von der maximal zulässigen Raumluftgeschwindigkeit
und der Ausblashöhe abzulesen .Die zulässige Raumluftgeschwindigkeit
wird dabei
– entweder dem Bild 1,
– oder den landesspezifischen Richtlinien in außereuropäischen
Ländern,
– oder der besonderen Vereinbarung zwischen Planer
und Auftraggeber,
– oder dem Bild 2 für Industrieanlagen entnommen.
Max. spezifischer Volumenstrom V in m /(h · m )
3 2
Sp max
66
60
50
40
30
20
Ausblashöhe H in m
0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
Max. zulässige Raumluftgeschwindigkeit u in m/s
25
20
15
10
8
6
5
4
3
2,8
2,6
2,4
Bild 3: Dreidimensionale diffuse Raumluftströmung, z.B.
Deckendrallauslass, Radialauslass, Radialer Lamellenauslass,
Fächerauslass, Induktivauslass und Weitstrahlauslass
Das Auslegungskriterium basiert auf
max = –10 bis –12 K
Ist die maximale Temperaturdifferenz kleiner, so kann
VSp max um folgenden Betrag erhöht werden:
max =–8K VSp max 15 % höher
max =–6K VSp max 35 % höher
max =–4K VSp max 70 % höher
2,2
0,4

Max. spezifischer Volumenstrom V in m /(h · m )
3 2
Sp max
60
55
50
45
40
35
30
25
20
Auslegungskriterien für thermische Behaglichkeit
Ausblashöhe H in m
15
0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
Max. zulässige Raumluftgeschwindigkeit u in m/s
Bild 4: Zweidimensionale diffuse Raumluftströmung für
Wand-Luftdurchlässe, z.B. Linearer Wirbelauslass,
Wandschlitzauslass, Breitfächerauslass, Weitwurfdüse
und Brüstungsauslass
Das Auslegungskriterium basiert auf
max = – 8 bis –10 K
Ist die maximale Temperaturdifferenz kleiner, so kann
VSp max um folgenden Betrag erhöht werden:
max =–6K VSp max 35 % höher
max =–4K VSp max 70 % höher
Ist z.B. bei dreidimensionaler diffuser Raumluftströmung
eine max. Raumluftgeschwindigkeit von 0,25 m/s zugelassen,
so darf bei einer Ausblashöhe von 3 m der spezifische
Luft-Volumenstrom max. 37 m 3 /(h· m²) betragen.
Ist die maximale Temperaturdifferenz im Kühlfall auf
– 8 K begrenzt, so darf der Betrag um 15% höher, d.h.
bei 43 m 3 /(h· m 2 ) liegen.
10
8
6
5
4
3
2,4
2,2
0,4
Turbulenzarme Verdrängungsströmung
Für die turbulenzarme Verdrängungsströmung (erzeugt
durch Quell-Luftdurchlässe und Verdrängungs-Luftdurchlässe)
gelten andere Auslegungskriterien, die bei
den einzelnen Bauarten dieser Luftdurchlässe von
KRANTZ KOMPONENTEN beschrieben sind. Vor allem
wird der Nahbereich definiert, in dem, phsykalisch bedingt,
höhere Luftgeschwindigkeiten auftreten.
Ausnahme ist der runde Verdrängungsauslass, Typ
VA-ZD bei Anordnung oberhalb des Aufenthaltsbereiches.
In diesem Fall können bei horizontaler Ausblasrichtung
annähernd die Auslegungskriterien nach Bild 3
zugrunde gelegt werden.
5

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Temperaturen
Raumtemperatur
Im Aufenthaltsbereich ist das Zusammenwirken von
Lufttemperatur und Strahlungstemperatur der Umgebungsflächen
zu berücksichtigen. Dies ist insbesondere
beim Einsatz von Kühldecken und bei großflächigen
Glasfassaden der Fall. Die örtliche Temperatur o wird
als operative oder empfundene Raumtemperatur bezeichnet
und nach der folgenden Näherungsgleichung
ermittelt:
o = 0,5 (a + r )
Dabei ist a die örtliche Lufttemperatur und r die örtliche
Strahlungstemperatur. Letztere wird aus den Oberflächentemperaturen
der Raumumschließungsflächen
und den Einstrahlwinkeln zum betrachteten Raumpunkt
(in der Regel der Arbeitsplatz) errechnet. Je näher beispielsweise
der Arbeitsplatz an der Fassade liegt, desto
größer wird auch der Einfluss deren Temperatur auf die
operative bzw. empfundene Raumtemperatur.
Die DIN EN 13779 gibt zur operativen Raumtemperatur
folgende Aussagen: Der Planer sollte projektbezogene
Auslegungswerte anwenden, da die Temperaturanforderungen
von der Anpassung des Nutzers abhängen,
von der Bekleidung, der Art der Tätigkeit, und außerdem
vom Außenklima. Lokale Vorschriften haben Vorrang.
Falls keine besonderen Vereinbarungen getroffen
wurden, gelten die in Tabelle 2 angegebenen Werte:
Betriebszeit o
Winterbetrieb mit
Heizung:
Sommerbetrieb mit
Kühlung:
Auslegungskriterien für thermische Behaglichkeit
19 bis 24°C, Standard 21°C
23 bis 26°C, Standard 26°C
Tabelle 2: Auslegungswerte für die operative Raumtemperatur
nach DIN EN 13779
Der Planer und der Auftraggeber können einen Zeitraum
festlegen, in dem die Auslegungswerte überschritten
werden dürfen (z.B. h/Tag oder Tage/Jahr)
Strahlungstemperatur – Asymmetrie
Auch die Strahlungstemperatur-Asymmetrie beeinflusst
die Behaglichkeit. Unbehagen tritt auf, wenn die Raumumschließungsflächen
in ihren Oberflächentemperaturen
zu stark voneinander abweichen. Aktive Kühl- oder
Heizflächen beeinflussen diese und können zur Kompensation
zu großer Unterschiede genutzt werden. Zu
beachten ist auch, dass der Mensch gleiche Werte der
Strahlungstemperatur-Asymmetrie in verschiedenen Situationen
unterschiedlich empfindet. Eine warme Decke
wird z.B. wesentlich unangenehmer empfunden als eine
kalte.
Aus diesen Erkenntnissen folgen in EN ISO 7730 die
zulässigen Grenzwerte für die Strahlungstemperatur-Asymmetrie
(Tabelle 3).
Kategorie
Strahlungstemperatur-Asymmetrie in K
warme
Decke
kühle
Wand
kühle
Decke
warme
Wand
A < 5 < 10 < 14 < 23
B < 5 < 10 < 14 < 23
C < 7 < 13 < 18 < 35
Tabelle 3: Grenzwerte der Strahlungstemperatur-Asymmetrie
nach EN ISO 7730
Werden diese Werte nicht überschritten, so wird der zulässige
Prozentsatz der Unzufriedenen mit der Strahlungstemperatur-Asymmetrie
nach Tabelle 1 eingehalten.
Beim Einsatz von Kühldecken wird im Kühlfall der
Grenzwert von 14 bzw. 18 K in der Praxis niemals erreicht,
da bereits viel früher Kondensat entstehen würde.
Der Grenzwert von 5 K im Heizfall kann jedoch bei falscher
Auslegung erreicht werden.
2
U = 1,1 W/(m · K)
–10°C
21°C
1m
18°C
62° 94°
42° 125°
24° 13°
5m
33°C
22°C
Bild 5: Beispiel einer Berechnung der Strahlungstemperatur-Asymmetrie
22°C
22°C
0,9m 1,8 m

Das folgende Beispiel zeigt die Berechnungsmethodik.
Oberer Halbraum:
rH1 = 62 94 24
· 18°C + · 33°C + · 22°C = 26,4 °C
180 180 180
Unterer Halbraum:
rH2 = 42 125 13
· 21°C + · 22°C + · 22°C = 21,8 °C
180 180 180
Die Strahlungstemperatur-Asymmetrie beträgt rH = 4,6 K
und ist somit für alle Kategorien zulässig. Für den Einsatz
von Kühldecken zu Heizzwecken lässt sich auf
diese Art eine maximale Heizleistung für Kategorien A
und B von ca. 55 – 65 W/m 2 Fußboden ableiten (Bild 6).
Halbraum-Strahlungsasymmetrie in K
rH
7
6
5
4
3
Grenzwert gemäß
EN ISO 7730
Auslegungskriterien für thermische Behaglichkeit
2
Raumhohe Verglasung
Bezugshöhe 1,2 m
1
Fassade mit Brüstung
0
Bezugshöhe 1,2 m
30 40 50 60 70
2
Spezifische Heizleistung in W/m Fußboden
Bild 6: Halbraum-Strahlungstemperatur-Asymmetrie rH
(Decke/Boden) im Abstand von 1 m von der Fassade
Vertikaler Lufttemperaturunterschied
EN ISO 7730 lässt je nach Kategorie der thermischen
Behaglichkeit folgenden maximalen vertikalen Lufttemperaturunterschied
zwischen 1,1 m und 0,1 m über dem
Boden zu (Tabelle 4).
vertikaler
Kategorie
Lufttemperaturunterschied
A

Kaltluftabfall an Fassaden
An Glasfassaden mit zu großen Wärmedurchgangskoeffizienten
U > 1,6 … 2 W/m 2 K oder großer Höhe ist
Unbehaglichkeit durch Kaltluftabfall zu befürchten. Der
Kaltluftstrom wird am Boden umgelenkt und dringt in
den Aufenthaltsbereich ein. Bild 9 zeigt dazu die Raumluftgeschwindigkeiten
u in Abhängigkeit der Fenster-/
Fassadenhöhe.
Raumluftgeschwindigkeit u in 1 m Abstand
von der Fassade in m/s
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0 2 4
Der Kaltluftabfall kann an hohen Fassaden durch Fensterblasanlagen
oder Fassadenheizsysteme wirkungsvoll
verhindert werden, bei raumhohen Verglasungen auch
durch Heizkörper und Brüstungs-Klimageräte.
Aachen, April 2007
Dr. Franc Sodec
Auslegungskriterien für thermische Behaglichkeit
6
2
U-Wert in W/(m · K)
2,80
1,60
1,30
1,10
0,80
Außenlufttemperatur:
Innentemperatur:
:
–12°C
22°C
34 K
8 10 12
Fensterhöhe in m
Bild 7: Raumluftgeschwindigkeiten u über dem Boden
aufgrund von Kaltluftabfall an Glasfassaden
caverion GmbH
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