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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
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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
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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.
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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: © stephan baumann, karlsruhe, www.bild-raum.com Abbildung 4: Universität Wuppertal, btga Eine Verwendung von Text und Abbildungen aus dieser Publikation ist nur mit Zustimmung der BINE-Redaktion gestattet. Sprechen Sie uns an.
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