Luftqualität 01.11.2016, 00:00 Uhr

Schwülegrenze in Innenräumen

Der folgende Beitrag untersucht die aktuellen Festlegungen für Obergrenzen der Luftfeuchte in Innenräumen bei warmen Temperaturen und hinterfragt, ob diese als Bewertungskriterium für den Komfort ausreichen. Bisherige Erkenntnisse aus der Forschung und Ergebnisse aus eigenen Probandenversuchen werden dargestellt und diskutiert.

Bild: panthermedia.net/ABCDK

Bild: panthermedia.net/ABCDK

Für das Außenklima sagen Prognosen eine durch den Klimawandel bedingte weltweite Zunahme nicht nur der Jahresmitteltemperaturen, sondern auch der spezifischen Luftfeuchte voraus [1, 2]. Dies gilt ebenfalls für Deutschland: bis 2050 wird ein Mittelwert des bodennahen Wasserdampfgehaltes im Sommer erwartet, der zwischen 6 und 10 % höher liegt als im Vergleichszeitraum (1961–1990) [3]. Sowohl die Anzahl der heißen Tage (Tagesmaximum > 30 °C) [4] als auch das Jahresmittel der Temperatur [5] sollen in Deutschland bis 2050 spürbar zunehmen. Diese Veränderungen werden regional unterschiedlich stark ausfallen.

Vom Außenklima abhängig ist das Klima im Gebäudeinneren – je nach Architektur, Baustandard, Klimatisierungsart und Nutzerverhalten unterschiedlich stark. Sieht man von adaptiven Prozessen ab, wird das thermische Komfortempfinden des Menschen im Innenraum maßgeblich durch die Temperatur (Kombination aus Strahlungs- und Lufttemperatur), die Luftfeuchte und -geschwindigkeit sowie durch den Bekleidungsgrad und den Aktivitätsgrad beeinflusst [6].

Vor diesem Hintergrund werden regionale Veränderungen des Klimas und deren Auswirkungen auf den sommerlichen Nutzerkomfort im Gebäudeinneren untersucht [7]. In diesem Beitrag werden die vergangene Entwicklung und die aktuelle Normung im Hinblick auf Obergrenzen für die Luftfeuchte bei warmen Temperaturen vorgestellt. Die Anwendung eines einzigen Wertes für die absolute Luftfeuchte wird hinterfragt und anhand von vorhandener Literatur diskutiert. Um möglichst geeignete Bewertungskriterien zu finden, werden verfügbare Daten aus Felduntersuchungen und aus eigenen Experimenten betrachtet.

Schwülegrenze

Gemäß VDI Richtlinie 2089 [8] beschreibt die sogenannte „Schwülegrenze“ den Übergang von „physiologischer Zuträglichkeit“ zu einer relativen Luftfeuchte, die „Schwüleempfinden verursacht“. Diese Grenze ergibt sich gemäß Richter [9] durch eine „Behinderung der feuchten Wärmeabgabe (spürbare und unspürbare Verdunstung bzw. Atmung)“. Die Schwülegrenze wird häufig mit einfachen physikalischen Werten (z. B. der relativen Luftfeuchte oder der Taupunkttemperatur) beschrieben, obwohl auf den Wärme- und Feuchteaustausch des Menschen mit seiner Umgebung neben Temperatur und Luftfeuchte auch weitere Faktoren wie die Strahlung oder die Luftgeschwindigkeit einwirken.

Deutschsprachige Literatur über Definition und Erforschung der Schwüle befasst sich zumeist mit dem Außenklima. Die erste Erwähnung des Begriffs „Schwüle“ im wissenschaftlichen Kontext wurde in Aufsätzen von Kestner und Griesbach [10] 1923 gefunden. Griesbach berichtet, dass in Spinnereien bei relativen Luftfeuchten von 83 bis 85 % und bei 17 °C ein starkes Schwüleempfinden vorherrschte. Linke [11] führte 1926 die Äquivalenttemperatur als Maß für die Außenschwüle ein, welche die Lufttemperatur und über den Dampfdruck die Luftfeuchte kombiniert berücksichtigt.

Die erste Erwähnung des Begriffes „Schwülegrenze“ wurde 1938 in einem Buch von Büttner [12] gefunden. Er beschreibt dort die wichtigsten Schwüle-Indizes, welche bis zu dem damaligen Zeitpunkt von Wissenschaftlern empfohlen wurden. Er selbst legt als Schwülegrenze für den Außenraum eine Effektivtemperatur von 24 °C bei Windstille fest. Die Effektivtemperatur, die eine gegebene Temperatur in eine uniforme Temperatur (Lufttemperatur = Strahlungstemperatur) bei Windstille und 100 % r.F. transferiert, wurde allerdings nicht in Deutschland, sondern in den USA von der ASHVE (American Society of Heating and Ventilating Engineers) eingeführt. Verschiedenste Außenklimakatalogisierungen von Regionen in Deutschland wurden in den folgenden Jahren auf Basis dieser Effektivtemperatur durchgeführt. 1942 verglich Scharlau [13] eine von Lancaster entwickelte und von Castens angepasste „Schwülekurve“ mit der Kurve des Wasserdampfdrucks von 14,08 mm Quecksilbersäule (entspricht 18,8 hPa). Er schlug vor, die Schwülebelastung durch die zwei Klassen „Komfort“ und „Schwüle“ mit jeweils zwei bzw. drei Unterklassen zu bewerten. Scharlau gestand jedoch auch ein, dass zu jener Zeit nicht genug Wissen bereitstehe, um die Grenzen dieser Klassen zu definieren.

In den 50er Jahren wurden weitere Parameter wie die Abkühlungsgröße und die atmosphärische Gegenstrahlung in die Definition mit einbezogen, bevor Ende der 60er Jahre Fanger [6] für den Innenraumkomfort wesentliche Erkenntnisse gewann und komplexe Wärmebilanz-Modelle für den menschlichen Körper entwickelt wurden. Diese methodischen Ansätze wurden für die Verwendung im Außenraum übertragen und mündeten 1990 in die Vorstellung des Klima-Michel-Modells [14], das der Deutsche Wetterdienst seitdem für die Bewertung der vorhergesagten Wetterdaten verwendet. Es basiert auf dem PMV-Wert nach Fanger und bezieht einen Korrekturwert für hohe Luftfeuchten nach Gagge [15] mit ein. Eine Erweiterung auf den Innenraum wurde mit der „Hitzewarnung“ des DWD [16] umgesetzt, bei der mit der Simulationssoftware ESP-r kritische Wohnräume anhand von Wettervorhersagedaten simuliert und über zwei Tage in Folge betrachtet werden. Maßgeblich sind deutsche Forscher auch an der Entwicklung eines universellen thermischen Klima-Index (UTCI) beteiligt [17], der 2009 vorgestellt wurde und über eine entsprechende Bilanzierung ebenfalls hohe Luftfeuchten berücksichtigt.

In Deutschland mit seinem gemäßigten Klima findet sich jedoch insgesamt wenig Literatur über den Einfluss hoher Luftfeuchten kombiniert mit hohen Temperaturen in Innenräumen. Anders ist das in Ländern wie Amerika [18, 19], China [20, 21, 22] oder Japan [23, 24]. Und so orientiert sich auch die Normung in Deutschland bei der Definition einer „Schwülegrenze“ für Innenräume an Erfahrungswerten bzw. Ergebnissen der internationalen Forschung.

Normative Festlegungen

Aktuelle Festlegungen für eine Obergrenze der Luftfeuchte aus Sicht des Innenraumkomforts finden sich in der DIN EN 15251 [25, 26] für die Auslegung von Be- und Entlüftungsanlagen. Die Norm legt 12,0 g/kg Mischungsverhältnis fest, während der nationale Anhang einen Wert von 11,5 g/kg bzw. 65 % r.F. verwendet. Das Mischungsverhältnis ist ein Maß für die absolute Luftfeuchte und gibt an, wieviel Gramm Wasser pro Kilogramm trockener Luft enthalten ist. In der DIN 1946 Teil 2, die 1994 erschien und 2005 zurückgezogen wurde, wurde für die Behaglichkeit die obere Grenze des Feuchtegehalts der Luft mit 11,5 g/kg Mischungsverhältnis und 65 % relative Luftfeuchte genannt. In der nachfolgenden Norm EN 13779 [27] wird ein „Sommerhöchstwert“ für die „absolute Feuchte“ von 12 g/kg genannt. Es kann davon ausgegangen werden, dass auch hier das Mischungsverhältnis gemeint ist. Sowohl die zurückgezogene als auch die aktuelle Norm beschreiben Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen sowie Raumkühlsysteme. Eine „Schwülegrenze“ wird in der VDI Richtlinie 2089 [8] festgelegt. Sie gilt für den Schwimmbadbau und setzt die Obergrenze der Luftfeuchte für den unbekleideten Menschen auf einen Wasserdampfteildruck von 22,7 hPa fest. Das entspricht einem Mischungsverhältnis (in der Richtlinie Wassergehalt genannt) von 14,3 g/kg. Dieser Wert wird als „empirisch“ bezeichnet und darf gemäß Richtlinie überschritten werden, wenn das Mischungsverhältnis der Außenluft 9 g/kg überschreitet.

In Amerika wurde die Obergrenze für klimatisierte Innenräume in den letzten Jahrzehnten immer wieder sehr unterschiedlich fixiert. Es wurden die relative Luftfeuchte (ASHVE 1915, 1932, 1938; ASHRAE 1966, 1992), die Feuchtkugeltemperatur (ASHVE 1920; ASHRAE 1992a) und das Mischungsverhältnis (ASHRAE 1974, 1981, 2004, 2010) verwendet. Die aktuelle Festlegung in der ASHRAE 55–2013 verwendet weiterhin das Mischungsverhältnis von 12 g/kg. Dieser obere Wert gilt, sofern das Diagramm-Verfahren (zwei Komfortbereiche für 0,5 und 1,0 clo in Abhängigkeit von der operativen Temperatur und dem Mischungsverhältnis) zur Ermittlung des Komfortbereichs verwendet wird. Wird das rechnerische Verfahren verwendet, ist bei sommerlicher Kleidung und sitzender Tätigkeit bis zu einer operativen Temperatur von 26,78 °C (bei 0,1 m/s Luftgeschwindigkeit) bzw. 27,66 °C (bei 0,2 m/s) noch ein Mischungsverhältnis oberhalb von 12,0 g/kg möglich, um einen Anteil von 10 % Unzufriedenen (PPD gemäß Gleichung nach Fanger) nicht zu überschreiten.

Komfortbereiche (PPD nach Fanger < 10 %) gemäß ASHRAE55–2013 bei clo = 0,5, met = 1,1 und Luftgeschwindigkeit von 0,1 bzw. 0,2 m/s und Linien für Mischungsverhältnis (MV) 11,5 bzw. 12,0 g/kg, Lufttemperatur gleich Strahlungstemperatur angenommen. Bild: Kleber

Komfortbereiche (PPD nach Fanger < 10 %) gemäß ASHRAE55–2013 bei clo = 0,5, met = 1,1 und Luftgeschwindigkeit von 0,1 bzw. 0,2 m/s und Linien für Mischungsverhältnis (MV) 11,5 bzw. 12,0 g/kg, Lufttemperatur gleich Strahlungstemperatur angenommen. Bild: Kleber

Die genannten Festlegungen gelten allesamt für die Auslegung von mechanisch belüfteten bzw. klimatisierten Gebäuden. Für natürlich belüftete bzw. gekühlte Gebäude werden keine Grenzwerte definiert. Da man heute davon ausgeht, dass das Komfortempfinden des Menschen von verschiedenen Raumklimaparametern und zusätzlich von Anpassungseffekten und psychologischen Faktoren beeinflusst wird, scheint die Festlegung eines einzigen Wertes für das Mischungsverhältnis nicht zielführend, und eine Übertragbarkeit auf nicht-klimatisierte Gebäude nicht sinnvoll.

Studien zu warm-feuchten Innenraumbedingungen

Untersuchungen, die sich speziell der Fragestellung des Einflusses von hohen Temperaturen und Luftfeuchte widmen, wurden bereits seit 1923 durchgeführt. Fountain et al. [18] geben in ihrer Veröffentlichung von 1999 einen guten Überblick. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass innerhalb des Komfortbereichs der Einfluss der Luftfeuchte als gering bewertet wird, er aber zunimmt, wenn hohe Luftfeuchten (>70 % r.F.) auftreten bzw. wenn der Aktivitätsgrad gesteigert ist. Eine wichtige Rolle wird auch der Bekleidung zuteil: ihre Feuchtespeichereigenschaft, ihr Feuchtedurchlassverhalten und die Materialbeschaffenheit der inneren Oberfläche beeinflussen die Komfortbewertung.

Verschiedene Autoren kommen zum Schluss, dass das thermische Empfinden nach Fanger („thermal sensation – TS“) bei Temperaturen und Luftfeuchte oberhalb des Komfortbereichs nicht bzw. nicht allein die Größe ist, an welcher der Komfort gemessen werden kann. Diskutiert werden in diesem Zusammenhang die Hautfeuchte („skin humidity“), der Benetzungsgrad der Haut mit Schweiß („skin wettedness“), die empfundene Luftqualität („perceived air quality“) und Wärmeempfinden in den Atemwegen („warm respiratory discomfort“), die allesamt von der Luftfeuchte beeinflusst werden und ihrerseits das Komfortempfinden verändern. Fanger selbst hat 1997 zusammen mit Toftum und Jørgensen zwei Modelle entwickelt, die den Diskomfort durch hohe Hautfeuchte [28] und verminderte Wärmeabgabe in den Atemwegen [29] voraussagen und bestehende Entwurfskriterien für thermische Innenraumbedingungen ergänzen sollten. Fang et al. [30] untersuchten den Einfluss von Temperatur und Luftfeuchte und stellten fest, dass sie einen „starken und signifikanten Einfluss auf die Wahrnehmung der Luftqualität haben; bei einem gleichbleibenden Verunreinigungsgrad nimmt die empfundene Luftqualität ab, wenn die Lufttemperatur und -feuchte ansteigen.“ Zhai et al. [31] stellten 2015 diesen Einfluss ebenfalls fest und erkannten einen statistisch signifikanten Zusammenhang mit der Enthalpie als kombinierte Maßzahl für Temperatur und Luftfeuchte.

Die unterschiedlichen Definitionen für Feuchte-Obergrenzen im zeitlichen Verlauf der Normgebung und die verschiedenen Herangehensweisen für eine Vorhersage des Komforts bei feucht-warmen Bedingungen zeigen die Komplexität der Fragestellung auf. Auf diesem Gebiet besteht weiterhin Forschungsbedarf.

Re-Analyse von Felddaten

Mit den Datenbanken aus den Projekten SCATs [32] und ASHRAE-RP884 [33] liegen umfangreiche, international verwendete Befragungsdaten vor. Aus Projekten am Fachgebiet Bauphysik und Technischer Ausbau resultieren die FZK- [34] und QUANTA-Datensätze [35]. Im Rahmen des aktuellen Projektes wurden diese ausgewertet, um den möglichen Einfluss des Mischungsverhältnisses auf das Komfortempfinden des Nutzers zu untersuchen. Diese Datensätze unterscheiden sich jedoch nicht nur in den aufgetretenen Temperatur- und Feuchtebereichen, sondern teilweise auch bei den abgefragten Parametern bzw. deren Skalen. Um eine Vergleichbarkeit zu erreichen, wurden die SCATs- und ASHRAE Daten nach Temperaturen über 25 °C, Luftfeuchten über 48 % r.F., Bekleidungsgraden von 0,3 bis 0,8 clo (Sommerkleidung) und Aktivitätsgraden von 1,0 bis 1,2 (sitzende Tätigkeit) gefiltert. Bei den FZK-Daten wurden höhere Aktivitätsgrade akzeptiert, damit die Stichprobe größer ist. In QUANTA wurden alle Daten einbezogen, da „met“ und „clo“ nicht angegeben wurden; es kann aber von einer sitzenden Tätigkeit ausgegangen werden, da es sich um Befragungen in Bürogebäuden handelt.

Hohe Luftfeuchte kombiniert mit hohen Temperaturen verringert die Wärmeabgabe über die Haut, da die Verdunstung des Schweißes auf der Hautoberfläche behindert wird. Die Wärmebilanz des menschlichen Körpers wird also mit steigender Luftfeuchte zunehmend beeinflusst, so dass der thermische Komfort hier als entscheidende Größe für das Wohlbefinden betrachtet wird. Da die thermische Empfindung („thermal sensation – TS“) in jeweils zwei Projekten auf einer 5-Punkte- bzw. 7-Punkte-Skala abgefragt wurde, wird in Bild 2 der Wunsch nach Temperaturänderung („thermal preference – TP“) betrachtet: hier verwendeten drei Projekte eine 5er Skala. Im folgenden Bild wird der Anteil der Befragten dargestellt, die eine Bewertung zwischen „etwas wärmer“ und „etwas kühler“ wählten.

Prozentsatz der Personen, die „etwas wärmer“, „keine Änderung“ oder „etwas kühler“ auf einer 5er Skala bei der Frage nach der gewünschten Temperaturänderung wählten (bei ASHRAE „keine Änderung“ auf einer 3er Skala“), aufgetragen über dem klassierten Mischungsverhältnis (MV). Bild: Kleber

Prozentsatz der Personen, die „etwas wärmer“, „keine Änderung“ oder „etwas kühler“ auf einer 5er Skala bei der Frage nach der gewünschten Temperaturänderung wählten (bei ASHRAE „keine Änderung“ auf einer 3er Skala“), aufgetragen über dem klassierten Mischungsverhältnis (MV). Bild: Kleber

Insgesamt wählten bei allen Luftfeuchten mindestens 80 % der Befragten diesen Bereich. Bei den SCATs-Daten sinkt der Prozentsatz oberhalb von 13 g/kg deutlich von 93 auf 80 %, bei den FZK-Daten sinkt der Wert zwischen 11 und 12 g/kg unter 90 %, steigt aber oberhalb von 12 g/kg wieder an. Bei den ASHRAE-Daten wurde aufgrund der verwendeten 3er Skala nur die Bewertung „keine Veränderung“ ausgewertet und im Diagramm informativ dargestellt. Die Werte liegen erwartungsgemäß erkennbar niedriger, eine deutliche Änderung im Bereich von 12 g/kg ist nicht zu erkennen. Zwischen 17 und 19 g/kg nimmt die Zufriedenheit mit der Raumtemperatur sogar noch einmal zu. Da in den Randbereichen die Stichprobe naturgemäß kleiner wird, können die Ergebnisse nicht als statistisch abgesichert angesehen werden. Sie zeigen aber, dass in diesen Felderhebungen auch oberhalb von 12 g/kg mehrheitlich als komfortabel empfundene Raumzustände vorhanden waren.

Mittelwerte des Temperaturempfindens gemäß ASHRAE 7-Punkte Skala über dem klassierten Mischungsverhältnis aufgetragen, für Temperatur über 25 °C und relative Luftfeuchte über 50 %. Bild: Kleber

Mittelwerte des Temperaturempfindens gemäß ASHRAE 7-Punkte Skala über dem klassierten Mischungsverhältnis aufgetragen, für Temperatur über 25 °C und relative Luftfeuchte über 50 %. Bild: Kleber

Im obenstehenden Bild ist das mittlere Temperaturempfinden („thermal sensation – TS“) der Befragten aufgezeichnet. In den ASHRAE-Daten traten deutlich höhere Luftfeuchten als 15 g/kg auf. Zwischen 9 und 19 g/kg bewegen sich die Bewertungen in einem sehr ähnlichen Bereich und steigen erst ab 19 g/kg über „etwas warm“. Nur die SCATs Befragungen verwendeten ebenfalls eine 7er Skala.

Bei den Felduntersuchungen SCATs, FZK und QUANTA wurden die Nutzer nach ihrem Feuchte-Empfinden und dem Änderungswunsch bei der Luftfeuchte befragt (5er Skala). Das nächste Bild ist die Abhängigkeit des Wunsches nach Veränderung vom Mischungsverhältnis gut zu erkennen.

Mittelwerte der gewünschten Feuchteveränderung, die auf einer 5er Skala gewählt werden konnte, aufgetragen über dem klassierten Mischungsverhältnis (MV). Bild: Kleber

Mittelwerte der gewünschten Feuchteveränderung, die auf einer 5er Skala gewählt werden konnte, aufgetragen über dem klassierten Mischungsverhältnis (MV). Bild: Kleber

In den SCATs-Daten ist ein deutlicher Sprung oberhalb von 13 g/kg zu erkennen, bei den FZK-Daten liegt die Präferenz im Mittel bis zu 14 g/kg immer noch sehr nah an „neutral“.

Betrachtet man die Abweichung der tatsächlichen Temperaturbewertung von den berechneten PMV-Werten, zeigt sich, dass bei SCATs und ASHRAE-RP884 mit zunehmender Feuchte der PMV das Temperaturempfinden eher überschätzt.

Abweichung des Temperaturempfindens vom berechneten PMV-Wert für zwei Felduntersuchungen, aufgetragen über dem Mischungsverhältnis (MV). Bild: Kleber

Abweichung des Temperaturempfindens vom berechneten PMV-Wert für zwei Felduntersuchungen, aufgetragen über dem Mischungsverhältnis (MV). Bild: Kleber

Oberhalb von 21 g/kg liegen die tatsächlichen Bewertungen im Mittel mehr als 1 Skalenpunkt niedriger. Auch Tanabe [24] konstatierte 1987 nach Feldversuchen in Japan, dass der PMV das thermische Empfinden zu hoch voraussagen würde. Die FZK-Daten konnten hier nicht verwendet werden, da sie mit einer 5er statt 7er Skala bewertet wurden; für die QUANTA-Daten konnte der PMV nicht berechnet werden.

Der Einfluss des Mischungsverhältnisses auf das Komfortempfinden kann anhand der obigen Auswertungen als gering festgestellt werden. Gleiches stellten auch B. Givoni et al. [36] fest, die 2005 Felduntersuchungen in Thailand, Singapur und Indonesien bei Raumbedingungen bis über 20 g/kg durchführten und zu dem Schluss kamen, dass „in dem untersuchten Feuchtebereich kein signifikanter Effekt des Feuchteniveaus vorlag“. Als möglichen Grund nennen sie „die Akklimatisierung der Einwohner an Bedingungen mit hoher Luftfeuchte“. Allerdings handelt es sich hier um Feldversuche in Klimaregionen, in denen eine hohe Luftfeuchte nicht unüblich ist. Auch eine Re-Analyse der ASHRAE-Datenbank [37], welche die Befragungsergebnisse in die Klimaregionen „gemäßigt“, „heiß-feucht“ und „heiß-trocken“ einteilt, kommt zu dem Schluss, dass die Luftfeuchte in heiß-feuchten Regionen eine untergeordnete Rolle spielt. Es wird jedoch festgestellt, dass in heiß-trockenen Regionen Luftfeuchten über 60 % r.F. zu einer deutlichen Reduktion der Komforttemperatur führen. Menschen, die also nicht an schwüle Bedingungen gewöhnt sind, scheinen durch hohe Luftfeuchten stärker beeinflusst zu sein. Auch die beiden Karlsruher Datensätze zeigen keinen auffälligen Einfluss der Luftfeuchte im Rahmen der üblich auftretenden Werte. Was aber passiert, wenn die Luftfeuchte höhere Werte annimmt, und wie lassen sich Grenzwerte definieren?

Pilotversuche 2015 im Raumklima-Teststand

Im Herbst 2015 wurden vor diesem Hintergrund im Raumklima-Teststand LOBSTER (Laboratory for Occupant Behaviour, Satisfaction, Thermal comfort and Environmental Research) [38] des KIT erste Untersuchungen mit insgesamt 28 Probanden unter feucht-warmen Bedingungen durchgeführt. Der LOBSTER verfügt über zwei identische Büroräume mit einer Grundfläche von je 24 m2, in denen fünf Wandoberflächen unabhängig voneinander thermisch zwischen 16 und 34 °C konditioniert werden können. Die Ausnahme bildet die Fassadenfläche, die hochgedämmt und mit Dreifachverglasung versehen ist. Zusätzlich zur Temperierung der Oberflächen kann die Zuluft von Unterflurkonvektoren gekühlt oder erwärmt werden. Eine Befeuchtungsfunktion wurde über mobile Luftbefeuchter (Verdunstungsprinzip) nachgerüstet. Da die integrierte Luftfeuchteregelung nicht genaue Werte der relativen Feuchte regeln kann, wurde eine On/Off-Regelung mit Funksteckdosen realisiert, die direkt an Feuchtesensoren der Gebäudeleittechnik gekoppelt ist.

Die operativen Temperaturen in den Versuchen lagen mit 26 bis 30 °C am oberen Rand bzw. über dem üblichen Komfortbereich, ebenso wie die relativen Luftfeuchten von 50 bis nahezu 80 %. So wurden Werte des Mischungsverhältnisses zwischen 10 und 18 g/kg erreicht. Die Probanden trugen eigene Sommerkleidung (0,29 bis 0,78 clo, Mittelwert 0,43) und wurden jeweils für eine Stunde einer bestimmten Kombination von Temperatur und Feuchte ausgesetzt. Dabei saßen sie an einem Schreibtisch (met = 1,1) und konnten zwischen dem Ausfüllen von Fragebögen individuelle Tätigkeiten ausüben (Lernen, Lesen, etc.). Ein Kurzfragebogen musste direkt nach Betreten des Raumes und nach 30 Minuten ausgefüllt werden; ein umfangreicherer Fragebogen fragte nach der gesamten Stunde das Be- und Empfinden des Teilnehmers ab.

Neben den Fragen zum thermischen Empfinden (7-Punkte-Skala), zur thermischen Präferenz (5-Punkte-Skala) und zum thermischen Komfort (4-Punkte-Skala) wurden die entsprechenden Fragen separat zur Luftfeuchte gestellt. Es wurde bestätigt, dass die Teilnehmer bei Zuständen über 26 °C und 50 % r.F. die Luftfeuchte „spüren“ konnten. Das Feuchteempfinden („humidity sensation“) weist eine signifikante Korrelation mit dem Mischungsverhältnis auf (Pearson 0,496, signifikant bei 0,01). Außerdem wurde nach der Akzeptanz der Raumtemperatur gefragt mit den vier Antwortmöglichkeiten „akzeptabel“, „gerade noch akzeptabel“, „gerade nicht akzeptabel“ und „nicht akzeptabel“. Zusätzlich wurde im ausführlichen Fragebogen explizit danach gefragt, ob der Begriff „schwül“ zutreffend für die Beschreibung des Luftzustandes sei. Die nächste Abbildung zeigt den Prozentsatz der Personen, die in einem bestimmten Bereich des Mischungsverhältnisses diesen Begriff wählten.

Prozentsatz der Befragten, die im jeweiligen Bereich des Mischungsverhältnisses die Raumluft als „schwül“ bezeichneten. Bild: Kleber

Prozentsatz der Befragten, die im jeweiligen Bereich des Mischungsverhältnisses die Raumluft als „schwül“ bezeichneten. Bild: Kleber

Da auch im Feldversuch FZK diese Frage enthalten war, ist das Ergebnis zusätzlich dargestellt. Obwohl in einigen Klassen die Anzahl der ausgewerteten Antworten nur etwas mehr als zehn betrug (so auch bei den Versuchen 2015 zwischen 11 und 12 g/kg), ist eine Tendenz deutlich zu erkennen, und die Verläufe aus den beiden Untersuchungen ergänzen sich gut. Würde man die Verwendung des Begriffes „schwül“ als Indiz für Diskomfort deuten, wären bereits im Bereich von 9 g/kg weniger als 80 % der Befragten mit dem Raumklima zufrieden, bei ca. 14 g/kg wäre es nur noch die Hälfte. Fast zwei Drittel der Personen, welche die Raumluft als „schwül“ empfanden, gaben jedoch an, dass sie die Temperatur als „akzeptabel“ oder „gerade noch akzeptabel“ empfanden.

Betrachtet man die Verteilung des Mischungsverhältnisses bei der Wahl der vier verschiedenen Akzeptanz-Kategorien (sieh Bild unten), erkennt man eine klare Tendenz – insbesondere beim Verlauf der Mediane.

Boxplot (jeweils Quartile) der vorhandenen Luftfeuchte bei der Auswahl der thermischen Akzeptanz auf einer 4er-Skala. Bild: Kleber

Boxplot (jeweils Quartile) der vorhandenen Luftfeuchte bei der Auswahl der thermischen Akzeptanz auf einer 4er-Skala. Bild: Kleber

Berglund [19] hatte 1998 ebenfalls die thermische Akzeptanz („thermal acceptability – TAC“) untersucht und eine signifikante Korrelation mit dem Mischungsverhältnis und der operativen Temperatur festgestellt und die Akzeptanzklassen im psychrometrischen Diagramm dargestellt.

Vergleicht man bei den eigenen bisherigen Versuchen die Regression der Temperatur-Akzeptanz mit dem PMV-Wert (angepasstes R² = 0,304) und den beiden Variablen operative Temperatur und Mischungsverhältnis (angepasstes R² = 0,305), erkennt man, dass das Bestimmtheitsmaß vergleichbar ist, obwohl der PMV weitere Variablen wie Luftgeschwindigkeit miteinbezieht. Für Sommerkleidung und sitzende Tätigkeit ist in unserem Fall die Abschätzung über Top und MV ähnlich gut. Deshalb wurde für die verschiedenen Kombinationen von Luftfeuchte und Temperatur, bei denen Antworten von mindestens 10 Teilnehmern vorlagen, der Anteil ermittelt, welcher die Temperatur als akzeptabel bewertete, und in Abhängigkeit von operativer Temperatur und Mischungsverhältnis dargestellt.

Prozentsatz der Befragten, die bei einer bestimmten operativen Temperatur und einem Mischungsverhältnis (MV) die Temperatur als akzeptabel bewerteten („gerade noch akzeptabel“ oder „akzeptabel“). Bild: Kleber

Prozentsatz der Befragten, die bei einer bestimmten operativen Temperatur und einem Mischungsverhältnis (MV) die Temperatur als akzeptabel bewerteten („gerade noch akzeptabel“ oder „akzeptabel“). Bild: Kleber

Man erkennt, dass bei 26 °C die Luftfeuchte kaum einen Einfluss hat und bei 27 °C und 15 g/kg immer noch fast 90 % der Teilnehmer die Temperatur akzeptierten.

Bei den bisherigen Versuchsdaten ergab sich im Gegensatz zu den oben aufgeführten Felddaten, dass die Temperaturempfindung („thermal sensation“) im Vergleich mit anderen Komfort-Indizes (z.B. PMV* oder DISC [13]) am ehesten mit dem ursprünglichen PMV Wert korreliert (Pearson 0,525 signifikant 0,01) und die Abweichungen von der tatsächlichen Bewertung auch bei hohen Luftfeuchten im Mittel nahe bei 0 liegen. Deshalb wurde für bestimmte Kombinationen von Feuchte und Temperatur anhand der Fangerschen Formel der Anteil zufriedener Personen berechnet (analog zum PPD) und über dem Mischungsverhältnis als Kennlinien der operativen Temperatur dargestellt.

– Anteil Zufriedener auf Basis der PPD-Formel (analog zu den Versuchen mit clo 0,4, met 1,1 und vair 0,1 m/s) für verschiedene operative Temperaturen, verglichen mit den Mittelwerten aus den Experimenten 2015 (Exp). Bild: Kleber

– Anteil Zufriedener auf Basis der PPD-Formel (analog zu den Versuchen mit clo 0,4, met 1,1 und vair 0,1 m/s) für verschiedene operative Temperaturen, verglichen mit den Mittelwerten aus den Experimenten 2015 (Exp). Bild: Kleber

Analog zu den Versuchen wurden für den Aktivitätsgrad 1,1 met, für die Bekleidung 0,4 clo und für die Luftgeschwindigkeit 0,1 m/s angesetzt. Zum Vergleich wurden die Mittelwerte aus den Experimenten als einzelne Punkte eingezeichnet. Ähnlichkeiten sind erkennbar, eine Übereinstimmung jedoch nicht. Ein grundlegender Unterschied ist, dass beim PPD davon ausgegangen wird, dass ein Anteil von 5 % Unzufriedenen nicht unterschritten werden kann. Durch den Einbezug der Bewertung „gerade noch akzeptabel“ wurden in den Versuchen durchaus Zustände von allen Befragten als akzeptabel bewertet. Somit sind die beiden Methoden zur Ermittlung des Anteils Zufriedener nicht vergleichbar, im Mittel weichen die Werte um ca. 7 % voneinander ab. Es fällt außerdem auf, dass der Anteil Zufriedener in den Versuchen mit zunehmendem Mischungsverhältnis schneller abnimmt als bei den berechneten Werten.

Deutlich wird aber auch hier, dass das akzeptierte Mischungsverhältnis sich abhängig von der Temperatur unterscheidet. Bei 26 °C liegt noch bis 18 g/kg der Anteil Zufriedener bei über 90 %. Mit 28 °C würde etwa bei 14,7 g/kg der 80 %-Anteil unterschritten. Bei 29 °C wird gemäß dieser Systematik die 80 %-Marke oberhalb von 10 g/kg nicht erreicht.

Schlussfolgerungen

Das Mischungsverhältnis der Luft als sinnvolle Bezugsgröße wurde bestätigt. Einen Hinweis oder eine Bestätigung eines dezidierten Mischungsverhältnisses, das als „Schwülegrenze“ für alle Temperaturbereiche angesehen werden kann, konnte bisher jedoch nicht gefunden werden. Vielmehr hat sich gezeigt, dass die Akzeptanz der thermischen Umgebung für einen bestimmten Bekleidungsgrad und eine bestimmte Aktivität sowohl vom Mischungsverhältnis als auch der Temperatur abhängen. Diese Abhängigkeit (definiert über die Regression) entsprach in unseren Versuchen am ehesten dem Zusammenhang mit dem PMV. Daher wird für eine Festlegung von Obergrenzen eine zusätzliche Berücksichtigung der Temperatur empfohlen. Nach dieser Methodik wurden auf zwei Arten – empirisch aus den Versuchsdaten und rechnerisch aus dem PMV – Kennlinien für den Anteil Zufriedener ermittelt, wobei sich die Definition für die „Zufriedenheit“ unterscheidet und somit die Ergebnisse nicht direkt vergleichbar sind. Hier besteht noch Bedarf für weitere Untersuchungen.

Aus der begrenzten Anzahl verfügbarer Datensätze ergibt sich die Annahme, dass sich die Bewertungen des Komforts bei hohen Luftfeuchten im Feld von denen im Teststand deutlich unterscheiden. Ein Grund könnte bei den bisherigen Versuchen der Zeitraum der Befragungen im Herbst 2015 sein, in dem sowohl Außentemperaturen als auch Raumtemperaturen der sonstigen Aufenthaltsräume (Wohnen, Studieren, Arbeiten) bereits deutlich kühler waren als während der Situationen im Teststand. Inwieweit also eine kurzfristige (innerhalb von Tagen/Wochen) bzw. langfristige (Monate/Jahre) Anpassung auch das Feuchteempfinden beeinflusst, muss noch genauer untersucht werden. Ein weiterer Grund für die Abweichung könnte die Versuchsdauer sein, bei der im momentanen Versuchsablauf die Teilnehmer insgesamt lediglich etwas mehr als zwei Stunden einem feucht-warmen Klima ausgesetzt werden.

Aus Sicht des Nutzerkomforts scheint eine Obergrenze für die Luftfeuchte, die wie in der aktuellen Norm auf einem einzigen Wert des Mischungsverhältnisses beruht, nicht sinnvoll. Vielmehr muss die jeweilige Temperatur mit einbezogen werden und ggf. zwischen klimatisierten und nicht-klimatisierten Gebäuden unterschieden werden.

Ausblick

Da die Stichprobe in den vorgestellten Untersuchungen mit insgesamt 28 Probanden noch sehr klein ist, wurden im Sommer 2016 Versuche mit einer deutlich größeren Teilnehmerzahl durchgeführt. Die Teilnehmer erschienen hier jeweils einmalig für insgesamt 3 Stunden zum Teststand und mussten nacheinander zwei Raumzustände für jeweils eine Stunde bewerten. Zunächst blieb es bei der Vorgabe, Sommerkleidung zu tragen und eine sitzende Tätigkeit auszuüben. Die erhobenen Daten werden nun im Herbst 2016 ausgewertet.

Durch diese zusätzlichen Versuche sollen die oben beschriebenen Erkenntnisse vertieft und verfeinert werden. Ziel ist es, die Komfortbereiche bei feucht-warmen Bedingungen möglichst genau und statistisch abgesichert festzulegen. Diese werden anschließend im Rahmen des Projektes „raum/klima/putz“ [7] zur Bewertung von Raumbedingungen verwendet, die mit Simulationsprogrammen (WUFI Plus® und EnergyPlus™) in Stundenauflösung berechnet werden. Hierbei werden das einwirkende Außenklima, Bauteilaufbauten und Nutzungsprofile variiert, um Anforderungsprofile an einen feuchteregulierenden Innenputz zu entwickeln.

Danksagung

Das Projekt „raum/klima/putz“ wird von März 2015 bis Februar 2018 von der Baden-Württemberg Stiftung finanziert.

 

 

Literatur:

[1] Willett, K.M. et al.: Attribution of observed surface humidity changes to human influence; Nature 449 (7163); 2007; Seite 710–712.

[2] Stocker, Th. F. (Hrsg.): Climate change 2013 – The physical science basis; Intergovernmental Panel on Climate Change (IPPC); 2013; Seite 38 und 42.

[3] Regionaler Klimaatlas Deutschland der Helmholtz Gemeinschaft; http://www.regionaler-klimaatlas.de/klimaatlas/2021–2050/sommer/spezifische-luftfeuchte/deutschland/mittlereanderung.html aufgerufen am 3.5.2016.

[4] Umweltbundesamt; adelphi / PRC / EURAC (2015): Vulnerabilität Deutschlands gegenüber dem Klimawandel; Seite 73–74.

[5] Umweltbundesamt; Künftige Klimaänderungen in Deutschland – Regionale Projektionen für das 21. Jahrhundert; Hintergrundpapier; April 2006, aktualisiert Sept. 2006; Seite 5.

[6] Fanger, P.O.: Thermal Comfort; Danish Technical Press, 1970.

[7] Umminger, M.; Kleber, M. et al.: Leistungskriterien für wohnkomfortgerechte Wandbaustoffe unter Einfluss des Klimawandels in Baden-Württemberg; Mauerwerk-Kalender 2016; Seite 547–551.

[8] Verein Deutscher Ingenieure; Technische Gebäudeausrüstung von Schwimmbädern – Hallenbäder; VDI-Richtlinie 2089; 2010.

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[37] Development of an adaptive thermal comfort equation for naturally ventilated buildings in hot–humid climates using ASHRAE RP-884 database; Doris Hooi Chyee Toea, Tetsu Kubotaa; Frontiers of Architectural Research (2013) 2, 278–291.[38] http://lobster-fbta.de/

Von Dipl.-Ing. Michael Kleber

Dipl.-Ing. Michael Kleber, Jahrgang 1973, ist Doktorand am Fachgebiet Bauphysik und Technischer Ausbau, Karlsruher Institut für Technologie. michael.kleber@kit.edu

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