Weniger starre Grenzen im thermischen Komfort – mehr Klimaschutz und Zufriedenheit
Vortrag von Thomas Zelger und Bernhard Lipp auf dem BauZ! Kongress 2023

Einleitung

Bei der ökologischen und ökonomischen Bewertung von Gebäudekonzepten sind stets alle beeinflussenden Parameter zu berücksichtigen – sowohl sämtliche generierte Kosten, Energie-, und Materialströme als auch die Wirkung auf die Menschen, auch wenn diese nicht immer quantitativ abgebildet werden können. Gebäude sind komplexe Systeme – sie bestehen aus einer Vielzahl von Einzelkomponenten, die einander beeinflussen, sie existieren in Abhängigkeit von anderen Systemen und haben Auswirkungen darauf. Diese Auswirkungen werden unter anderem von den Umgebungsbedingungen, Gebäudeeigenschaften, dem historischen und regionalen Kontext und den Nutzenden bestimmt und beziehen sich auf die gesamte Lebensdauer eines Gebäudes und darüber hinaus.
Vor allem die eingesetzte Gebäudetechnik hat Auswirkungen auf die Menschen. Wesentlich für das Funktionieren des Systems „Gebäude“ unter energieeffizienten Gesichtspunkten ist deshalb die Einbindung der Personen, die in diesem System agieren, weil auch sehr durchdachte Steuerungskonzepte von ihnen mitgetragen werden müssen. Um ihre Bereitschaft zu fördern, aktiver Teil dieses Systems zu sein, sind Akzeptanz und Komfort im Gebäude von entscheidender Bedeutung. Hier spielt vor allem die Schnittstelle Mensch-Technik eine zentrale Rolle.
Inwiefern sich low-tech Konzepte auf die Zufriedenheit der Nutzer:innen auswirken, wurde in der Sondierungsstudie „Nutzerkomfort durch low-tech Konzepte in Gebäuden“, beauftragt vom Bundesinstitut für Bau-, Stadt und Raumforschung im Bundesamt für Bauwesen (BBSR) und Raumordnung (BBR) im Zeitraum 2019-22 untersucht.

Behaglichkeitsmodelle

Um thermische Behaglichkeitsgrenzen planen zu können, greift man derzeit hauptsächlich auf die Regelwerke ÖNORM EN ISO 7730 und ÖNORM EN 16798-1 als Stand der Technik zurück. Die ÖNORM EN 16798-1 ist eine Norm, die sich mit der energetischen Bewertung von Gebäuden befasst. Im speziellen geht es um die Bewertung der Behaglichkeit in Innenräumen. Die ÖNORM EN ISO 7730 ist an das Berechnungsmodell von Ole Fanger angelehnt und wurde eigentlich für klimatisierte Räume entwickelt. Die ÖNORM EN 16798-1 thematisiert den Unterschied zwischen frei belüfteten und maschinell beheizten und gekühlten Umgebungen durch die Verwendung von zwei Behaglichkeitsmodellen. Für maschinell gekühlte und klimatisierte Gebäude wird das Modell der ÖNORM EN ISO 7730 verwendet, während für frei belüftete Gebäude ein adaptives Behaglichkeitsmodell zur Anwendung kommt. Behaglichkeit bezieht sich dabei auf das Wohlbefinden der Menschen in einem Raum. Die ÖNORM EN 16798-1 definiert Behaglichkeit als einen Zustand, bei dem die thermische Umgebung, die Luftqualität, die Beleuchtung, die Akustik und andere relevante Faktoren so gestaltet sind, dass die Menschen sich wohl fühlen. Die EN 16798-1 gibt auch Kriterien und Empfehlungen zur Bewertung und Gewährleistung der Behaglichkeit in Innenräumen. Dazu gehören unter anderem die folgenden Parameter:

1. Raumtemperatur
2. Luftfeuchtigkeit
3. Luftqualität: Die ÖNORM EN 16798-1 definiert verschiedene Parameter zur Bewertung der Luftqualität, wie z.B. CO2-Konzentration, VOC-Konzentration, Luftwechselrate und Partikelkonzentration.
4. Beleuchtung: Die ÖNORM EN 16798-1 gibt Empfehlungen zur Beleuchtungsstärke und Farbtemperatur.
5. Akustik: Die ÖNORM EN 16798-1 empfiehlt Maßnahmen zur Reduzierung von Lärm und Schallübertragung.

Die ÖNORM EN 16798-1 verwendet zwei unterschiedliche thermische Behaglichkeitsmodelle, die auf der Bewertung der thermischen Umgebung eines Raums basieren. Dabei werden 6 Basisparameter berücksichtigt:

1. Operative Temperatur (Top): Die operative Temperatur ist ein Maß für die tatsächliche thermische Umgebung, die die Menschen in einem Raum erfahren. Sie berücksichtigt die Raumtemperatur, die Oberflächentemperaturen der umgebenden Flächen und die Luftgeschwindigkeit.
2. Außentemperatur: Der gleitende Mittelwert der Außentemperatur bestimmt die Grenzen der Behaglichkeitsklassen im adaptiven Modell.
3. Luftgeschwindigkeit (v): Die Luftgeschwindigkeit beeinflusst das Wärmeempfinden der Menschen. Wenn die Luftgeschwindigkeit zu hoch ist, kann sie das Wärmeempfinden verschlechtern.
4. Relative Luftfeuchtigkeit (RH): Die relative Luftfeuchtigkeit beeinflusst das Wärmeempfinden der Menschen. Wenn die relative Luftfeuchtigkeit zu niedrig ist, kann dies zu trockenen Augen und Haut führen. Wenn sie zu hoch ist, kann dies zu einem feuchten und unangenehmen Gefühl führen.
5. Bekleidung (clo): Die Bekleidung beeinflusst das Wärmeempfinden der Menschen. Je wärmer die Bekleidung, desto höher ist die operative Temperatur, die für die thermische Behaglichkeit erforderlich ist.
6. Metabolische Rate (met): Die metabolische Rate beschreibt die Wärmeerzeugung des menschlichen Körpers, die von der körperlichen Aktivität und der Stoffwechselrate abhängt.

Das adaptive Behaglichkeitsmodell basiert auf der Idee, dass Menschen in der Lage sind, sich an Veränderungen in ihrer Umgebung anzupassen, um ein optimales Behaglichkeitsniveau zu erreichen. Dabei ist sehr wichtig, dass Personen sich typischerweise nach der Außentemperatur kleiden und so sich auch an die Innentemperaturen anpassen. Daher ist dieses Behaglichkeitsmodell entscheidend von der „mittleren“ Außentemperatur abhängig.

Forschungsergebnisse zum Thema dynamische thermische Behaglichkeit

Im Rahmen des Forschungsprojektes "FLUCCOplus – Flexibler NutzerInnenkomfort in viertelstündlich CO₂-neutralen Plusenergiequartieren" erfolgte eine Überprüfung der Behaglichkeitsmodelle in Bezug auf dynamische Parameter zu Komfort und nutzer:innenakzeptierten Regelungskonzepten anhand von Befragungen - begleitet von physiologischen Untersuchungen – unter Labor- und Realbedingungen. Dazu wurden Untersuchungen in der sogenannten Fassadenprüfbox durchgeführt, um unter vorgegebenen Bedingungen Behaglichkeit und Komfortempfinden von 21 Testpersonen zu erheben. Es wurden dynamische Temperaturszenarien ausgewählt, die in dieser bzw. ähnlicher Form in energieflexiblen Gebäuden auftreten können und die Proband:innen zu ihrem aktuellen Empfinden befragt. Zusätzlich wurden für die Dauer der drei Erhebungstage in der Prüfbox Messungen der Herzratenvariabilität durchgeführt.
Ziel der Fassadenprüfbox-Untersuchungen war, die Grenzparameter des dynamischen Komfortmodells durch Simulation von Extremsituationen auszuloten. Durch größere Toleranzbereiche des thermischen erlaubten Komfortbereiches lassen sich die Ziele des stündlich CO₂-neutralen Gebäudes deutlich leichter und damit kosteneffizienter erreichen.
Die Auswertungen haben sehr interessante Ergebnisse gebracht. Das thermische Befinden, der thermische Komfort, die thermische Präferenz, die Bekleidung usw. wurden mittels Fragebogen erhoben.         
Grundsätzlich stimmen die Bewertungen mit den bekannten Temperaturverläufen überein (Abb. 2, Abb. 3). Es ist zu erkennen, dass die Füße die höchste mittlere Raumtemperatur benötigen bis sie in die Komfortzone (PMV = - 0,5) kommen und der Kopf den Komfortbereich schon bei 26,5 °C wieder verlässt. Besonders interessant sind die Votings bezüglich Behaglichkeit. Hier zeigen die Versuche, dass sich die Personen, entgegen dem gängigen Modell, deutlich toleranter gegenüber höheren Temperaturen verhalten (Abbildung 3, Variablen ThKomfort).
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass in Richtung höhere Temperaturen eine deutlich höhere Toleranz gegeben ist, als es das Fanger-Modell (ÖNORM EN ISO 7730) unterstellt. Die Ergebnisse lassen sich gut mit dem adaptiven Komfortmodell in der ÖNORM EN ISO 16798-1 beschreiben.
 Deutlich empfindlicher sind die Personen, wenn es um Temperaturen im unteren Bereich geht, wie die Abbildung 5 zeigt.
Die Versuchspersonen empfinden Temperaturen unter 20,5 °C Lufttemperatur als inakzeptabel. Auf diese Grenze muss also bei Energiesparmaßnahmen besonders geachtet werden, da Grenzunterschreitungen in diese Richtung zu großem Unmut führen würden.

Untersuchungsergebnisse zum Thema low-tech und Klimaschutz

Der im Rahmen einer Sondierungsstudie entwickelte Low Tech Readiness Indicator (LowTRI) soll die vielfältigen, sowohl Energieeffizienz als auch Nutzer:innenkomfort beeinflussenden Aspekte einbinden und abbilden. Fragestellungen waren unter anderem, welchen Einfluss unterschiedliche Maßnahmen im Bereich der Gebäudeplanung und -ausstattung auf den Nutzer:innenkomfort haben. Inwiefern Nutzer:innen sowohl mit den Innenraumkonditionen wie beispielsweise dem Klima als auch mit deren Beeinflussungs-möglichkeiten zufrieden sind und sogenannte low-tech Konzepte auf Akzeptanz stoßen, wurde anhand von Raumklimamessungen und Befragungen in ausgewählten Testgebäuden erhoben.
Für die Entwicklung des LowTRI wurden Muss- und Sollkriterien sowohl für den Aufwand für die Gebäudetechnik (Herstellung, Wartung, Instandsetzung) und die Bautechnik, die Kompatibilität mit der Klimaneutralität 2040, als auch den Nutzer:innenkomfort festgelegt. Diese wurden gewichtet und ermöglichen, die Aufwände und Qualitäten einer spezifischen Gebäudeausstattung einander gegenüberzustellen.

Folgende Kriterien wurden für die Bewertung von Gebäuden insbesondere in Hinblick auf low-tech Qualitäten operationalisiert:

• Technisierungsgrad, eingesetzte Komponenten
• Regelbarkeit, Automatisierung
• Investkosten und/oder Anteil TGA
• Betriebskosten
• Instandsetzungs- und Wartungsaufwand, Wartungsintervalle, Reparierbarkeit (Lebenszykluskosten)
• Interaktionsmöglichkeit, bzw. Aufwand Nutzer:innen
• Nutzungsflexibilität/Anpassbarkeit
• Primärenergie nicht erneuerbar (PENRE), Treibhauspotential Betrieb bzw. über den gesamten Lebenszyklus
• Adaptierbarkeit an den Klimawandel
• Komfort

Ein Beispiel für die Bewertung unterschiedlicher Lösungen für die Gebäudeausstattung ist in Abbildung 6 zu sehen. Die Einstufung der Einzelmaßnahmen muss je nach systemischer Lösung zusatzbewertet werden (z.B. wenn Teilsysteme mehrere Funktionen erfüllen können (z.B. Bauteilaktivierung für Heizen und Kühlen).
Auf der Grundlage von technischen Bewertungen, der Recherche zu low-tech Konzepten und den Befragungen wurde die folgende Gesamtbewertung für nachhaltige low-tech Gebäude vorgeschlagen.

Musskriterien:

Kriterium Gebäudetechnik <= 20 %: Geringer Aufwand für Gebäudetechnik in der Herstellung, Wartung und Instandsetzung, ein geringer Komplexitätsgrad und eine robuste Gebäudetechnik sind die Voraussetzung für low-tech Gebäude.
Niedrige Energie/Klimabelastung <= 20 %: low-tech Gebäude sind nur dann zukunftsfähig, wenn sie mit der 100% Versorgung mit erneuerbaren Energieträgern, bzw. Klimaneutralität kompatibel sind.

Sollkriterien:

Abweichung Komfortgrenzen <= 40 %: Wenn die Nutzer:innen gut informiert und ein low-tech Gebäude erwarten, sind die Komfortgrenzen andere wie in high-tech Gebäuden mit Vollklimatisierung: Siehe adaptives Komfortmodell, aber auch Befragungsergebnisse und Literatur.
Aufwand Nutzer:innen „aktiv“ <= 80 %: Nutzer:innen sind in low-tech Gebäuden meist stärker gefragt und müssen „gut informiert“ sein, um das Potential des Gebäudes bezüglich Komfort und Energie/Klimabelastung ausschöpfen zu können. Eine professionelle Begleitung ist bei Bezug, aber auch während des Betriebs notwendig. Eine Abstimmung mit dem Arbeitsschutz etc. ist sinnvoll.

Kriterien informativ:

Aufwand für die Bautechnik: Dieser wird informativ angegeben. Es gibt keine Einschränkung für eine positive Einstufung eines Bauwerks als low-tech Gebäude. Dies ist vor allem der meist langen Nutzungsdauer und dem geringen Wartungsaufwand der baulichen Komponenten im Vergleich zu den gebäudetechnischen geschuldet.

Lesebeispiel Abb. 7: Projektvariante-Rechteck muss innerhalb des Muss-Ziel-Quadrats liegen und sollte auch innerhalb des Soll-Ziel-Quaders liegen. Die Grenzen zum Aufwand Nutzer:innen werden gebäudespezifisch festgelegt.

Bei der Formulierung der Grenzwerte wurde auf eine Differenzierung hinsichtlich der Rahmenbedingen Trakttiefen, Belegungsdichten, Grundrissgestaltung verzichtet. Dies gilt auch für den Einfluss des lokalen Klimas (Stadtzentrum, Land und Klimazone) auf den Komfort, bzw. auf die erneuerbare Versorgung. Diese Rahmenbedingungen müssen in die Gewichtung der Einzelkriterien integriert werden, insofern sie nicht „automatisch“ in der Detailbewertung erfasst sind (z.B. gehen in die Komfortbewertung nach adaptiven Modell die gleitende Außenlufttemperatur in die Bewertung ein, d.h. an wärmeren Standorten sind höhere empfundene Temperaturen akzeptabel für die Erreichung einer Qualitäts-Klasse).
Kein Gebäude in der obigen Darstellung kann im Bereich Energie/Klimabelastung den Grenzwert einhalten. Das ist vor allem der unzureichenden Nutzung der lokalen Energieressourcen (PV) und teilweise der ineffizienten Gebäudehülle und -technik geschuldet.
Die Anforderung Gebäudetechnik wird von den Gründerzeitgebäuden, dem Gebäuden 2226 und BMU_Var3 unterschritten.
Die Komfortanforderung kann von allen Gebäuden außer dem Gründerzeitgebäude eingehalten werden.
Insgesamt ist keines der Gebäude ein nachhaltiges low-tech Gebäude laut der hier vorgelegten Definition. Eine Weiterentwicklung der Gebäude im Bereich Energie/Klimabelastung würde eine Reihe von low-tech-Gebäuden hervorbringen.  

Schlussfolgerungen

Der LowTRI ist eine Möglichkeit zur Strukturierung und Bewertung der für den Gebäudebetrieb erforderlichen Gebäudetechnik nach dem Motto „weniger ist mehr“. Je nach Standort, Gebäudefunktion, -konstruktion und -größe, Nutze:innenprofil usw. ist eine unterschiedliche Herangehensweise gefragt. Individuell gefundene Lösungen für die jeweiligen Aufgabenstellungen sollen im Zielbereich des LowTRI (LowTech Readiness Indicators) liegen, um hohe Qualitäten auf Basis klimaverträglicher Lösungen bei moderatem Gebäudetechnikeinsatz zu ermöglichen.
Die Ergebnisse der Sondierungsstudie dienten in erster Linie einer Überprüfung des entwickelten Erhebungswerkzeuges und können Ausgangspunkt weiterer, vertiefender Untersuchungen bestehender Bürogebäude sein. Diese Ergebnisse fließen idealerweise in künftig errichtete Gebäude ein. Vor allem in Hinblick auf die steigenden Temperaturen sind Maßnahmen gegen sommerliche Überwärmung als Beitrag zum Nutzer:innenkomfort und zur Vermeidung eines hohen energetischen Kühlaufwandes zu setzen.

Literatur

[1] ÖNORM EN 16798: Energieeffizienz von Gebäuden, Teil 1: Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik – Modul M1-6
[2] Thomas Zelger, Daniel Bell, Bernhard Lipp, Ute Muñoz-Czerny, Ernst Gruber: Nutzerkomfort durch low-tech Konzepte in Gebäuden. Low Tech, Symposium Summer 22, TU Berlin, Tagungsband
[3] www.fluccoplus.at , FLUCCOplus -Flexibler NutzerInnenkomfort in stündlich CO2-neutralen Plusenergiequartieren, 2023
[4] Winter Marlene (2022): Thermische Messdaten und subjektive Wahrnehmungen auf Basis von Fassadenprüfboxexperimenten. Masterarbeit, FH Technikum Wien
[5] Brandstätter Fabian (2022): Thermische Komfort in energieflexiblen Wohngebäuden – Ergebnisse aus einem experimentellen Studiensetup. Masterarbeit, FH Technikum Wien
[6] Fabbri K. (2015): Indoor Thermal Comfort Perception. Springer International Publishing AG, Switerzland
[7] Edeltraud Haselsteiner (Hrsg.): Robuste Architektur – Lowtech Design. Edition DETAIL 2022