Zum Seiteninhalt springen

Dynamische Thermische Behaglichkeit vom Kachelofen bis zur Fassadenbox in FLUCC

Das IBO hat eine lange Tradition in der wissenschaftlichen Feldforschung zum Thema Thermische Behaglichkeit [10], [9], [8], [7], [6], [5]. Das Hauptziel der Untersuchungen war damals die Frage: "Ist Behaglichkeit physiologisch messbar?" positiv zu beantworten.

Forschung

Einleitung

Ein Raumklima zu erzeugen, das Behaglichkeit und Gesundheit für alle sichert, ist eines der Hauptziele der Baubiologie. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) definiert die Gesundheit des Menschen sehr umfassend: „Gesundheit ist nicht nur das Freisein von Krankheit und Gebrechen, sondern der Zustand völligen körperlichen, geistigen und sozialen Wohlbefindens.“ Damit hat die WHO die Behaglichkeit entsprechend gewichtet.

Trotz des Einsatzes modernster nichtinvasiver medizinischer Diagnosesysteme, von der Messjacke KYMO des ersten österreichischen Kosmonauten DI Dr. Franz Viehböck bis zu hochpräzisen Mini-EKGs aus der physiologischen Forschung, Thermokameras und modernster Auswertemethoden konnte diese Frage nicht eindeutig beantwortet werden (Abb. 1+2).

Das IBO konzentrierte sich danach auf die Messung und Beurteilung der Behaglichkeit in der Praxis und entwickelte Messsysteme zur Langzeitmessung und -beurteilung von Arbeitsplätzen und Wohnungen (Abb. 3).
Mit Hilfe dieser innovativen Systeme war das IBO in der Lage unbehagliche und zugleich selten auftretende Zustände zu detektieren und zu beurteilen. Die Online-Berechnungen und Beurteilungen wurden, wie die Abbildung 4 zeigt, oft erfolgreich eingesetzt, um Büroarbeitsplätze zu optimieren.

Im Jahr 2017 ergab sich die Möglichkeit unsere Grundlagenforschung zum Thema „Physiologische Messung von Behaglichkeitszuständen“ auf ein neues Niveau zu heben. Gemeinsam mit unserem ACR-Partner AEE INTEC wurde eine neue Testinfrastruktur, die Fassadenbox, auf dem Dach eines Forschungsgebäudes der AEE INTEC in Gleisdorf, geschaffen (Abb. 5). Mit Hilfe der Fassadenbox sind wir nun in der Lage fast jeden thermischen Zustand in einer Büroumgebung einzustellen. Wir können nun dynamische Temperatur- und Raumklimaprofile erzeugen und Bewertungen und physiologische Messdaten der Versuchsteilnehmer direkt in einer normalen Arbeitsumgebung aufnehmen.

Diese Versuchsbedingungen sind optimal für dynamische Behaglichkeitsuntersuchungen geeignet und daher wurde die Fassadenbox auch im Forschungsprojekt FLUCCOplus – Flexibler Nutzer*innenkomfort in viertelstündlich CO2-neutralen Plusenergiequartieren – eingesetzt. Ziel des Projekts ist die Verbesserung der Planungsgrundlagen für die Errichtung und den Betrieb energieflexibler Bestands- und Neubauten in drei konkreten Bereichen:

  1. der Weiterentwicklung bestehender Modelle thermischen Komforts für dynamische Situationen,
  2. der Quantifizierung zukünftiger Netzdienlichkeit und
  3. die holistische Erprobung des entwickelten Komfort- und CO2-Modells an drei potentiellen Plusenergiequartieren unter Berücksichtigung der Ökobilanz sowie der Investitions- und Lebenszykluskosten.

21 Versuchspersonen verbrachten jeweils 3 Arbeitstage in der Fassadenbox und gaben dabei 862 gültige Bewertungen ab.
Die Umgebung wurde dabei vollständig erfasst und um einen speziellen Behaglichkeits-Messbaum erweitert (Abb. 6).

Bei den Versuchen wurden folgende Temperaturprofile in den drei Tagen gefahren: In der Früh wurde bei 22 °C begonnen und bis Mittag auf 26 °C in 3 Stunden aufgeheizt. Danach wurde möglichst rasch abgekühlt auf 19 °C und am Schluss wieder zurück auf 22 °C geheizt. Dies mit unterschiedlichen Systemen an jedem Tag, Decke, Fußboden und Wand. Der konstante Temperaturbereich bildet die Nacht ab (Abb. 7).

Das thermische Befinden, der thermische Komfort, die thermische Präferenz, die Bekleidung usw. wurden mittels Fragebogen erhoben (Abb. 8.)   

Dabei wurden auch die Herzraten mit einem HRV-Brustgurtsystem von autonomhealth, auch in der Nacht, aufgezeichnet, um zuverlässig die Ruheherzrate jeder Versuchsperson bestimmen zu können (Abb. 9 + 10).

Erste interessante Ergebnisse

Grundsätzlich stimmen die Bewertungen mit den bekannten Temperaturverläufen überein (Abb. 12 + 13). 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 12, 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.

Auch die physiologischen Messungen liefern sehr interessante Ergebnisse. Da die metabolische Rate eine so zentrale Bedeutung im Fanger-Modell spielt, versuchten wir die Prognosefähigkeit des Fanger-Modells mit den aktuell gemessenen Herzraten, bzw. einer Schätzung der metabolischen Rate aus den Herzraten, zu verbessern. Die gleichzeitig gemessen Herzraten eröffneten uns auch die weitere Analysedimensionen der Herzratenvariabilität (HRV). Für die HRV gibt es prinzipiell drei Möglichkeiten der vertiefenden Analyse, mit

  1. zeitbezogenen Maßen,
  2. frequenzbezogenen Maßen und mit
  3. nichtlinearen Maßen (z.B. Recurrence Plots).

Die grundsätzliche Analysekonzepte für die HRV sind in Abbildung 14 dargestellt.

Die Ergebnisse sind verblüffend

Abbildung 15 zeigt, die zu erwartende, hochsignifikante Korrelation zwischen den Votings der Versuchspersonen und der PMV-Variable. Sowohl für jene mit der Herzratenanpassung PMV(HR) wie auch mit konstanter metabolischer Rate (1,2 met) PMV (met = 1,2) für sitzende Bürotätigkeit, welche sogar leicht höher ist. Interessant ist aber, dass auch die nichtlinearen HRV-Parameter SD1/SD2 und DET hochsignifikant sind. Diese Korrelationen konnten wir bis jetzt in unseren Feldforschungen noch nie beobachten bzw. nachweisen.

Noch spannendere Ergebnisse lieferte die Korrelationsanalyse der Variablen ThKomfort, die Votings über die momentane Behaglichkeit abfragte. In Abbildung 16 ist zu sehen, dass die Korrelationen zu den PMV-Votings sinken, die stärkste Korrelation mit dem PMV(HR)-Voting gegeben ist, aber die nichtlinearen Maße wie DET und SD1/SD2 stark ansteigen und fast so hoch wie die Korrelation PMV(met = 1,2) werden. Offensichtlich hat eine veränderte Fragstellung an den Korrelationen deutlich etwas verändert und es muss offensichtlich ein anderer Verarbeitungsmechanismus vorhanden sein.

Die Abbildungen 17 und 18 zeigen den dynamischen Verlauf der Votings von ThKomfort, ThWohlbefinden, Kopf und Fuß und den Verlauf der operativeren Temperatur (blaues Feld) und die nichtlinearen Parameter SD1/SD2 und DET. Die Korrelation sind zu erahnen, wenngleich die Dynamik der nichtlinearen Parameter deutlich höher ist.

Zum Abschluss ist festzustellen, dass wir bei dieser Analyse erst am Anfang stehen. Es wurden noch keine Parameter der nichtlinearen Analyse optimiert. Hier besteht noch ein großer Spielraum, um die Korrelation zu verbessern. Außerdem könnten noch Machine-Learning-Algorithmen zur Parameteroptimierung eingesetzt werden. Die Datenbasis wird jedenfalls noch erweitert, z.B. wurden in weitern Versuchen 23 Personen in einer Wohnung des Verbandes der österreichischen Zementindustrie mit Bauteilaktivierung ähnlichen Temperaturprofilen ausgesetzt und die Daten aufgezeichnet. Die Auswertung dieser Daten wurde begonnen. Wie diese Erkenntnisse vielleicht in Steuer- und Regelsystemen von Gebäuden eingesetzt werden können, um gleichzeitig die Behaglichkeit zu optimieren und den ökologischen Fußabdruck des Gebäudes in der Nutzung zu verkleinern, bleibt vorerst noch offen.

Literaturverzeichnis

[1] 002/042 – S2k-Leitlinie: Nutzung der Herzschlagfrequenz und der Herzfrequenzvariabilität in der Arbeitsmedizin und der Arbeitswissenschaft aktueller Stand: 07/2021
[2] McIntyre DA (1982): Chamber studies – Reductio ad Absurdum?. Energy and Buildings, 5 (1982) 89–96 (Klimakammeruntersuchungen – Reduzierung auf‘s Absurde?).
[3] Nicol F., Humphreys M., Roaf S. (2012): Adaptive Thermal Comfort. Routledge, London
[4] Fabbri K. (2015): Indoor Thermal Comfort Perception. Springer International Publishing AG, Switerzland
[5] Waltjen T. et al (2012): Handbuch Komfort für Passivhaus-Büros. Publikation aus dem Forschungsbericht ENERGIE DER ZUKUNFT, Projekt 815 692, IBO GmbH, Wien 2012.
[6] Lipp B, Rohregger G, (2004): Ist Behaglichkeit physiologisch messbar? Protokollband Nr. 25, Arbeitskreiskostengünstige Passivhäuser; Passivhaus Institut.
[7] Rohregger G., Lipp B., Lackner H. K., Moser M., Buber R., Gardner J., Waltjen T. (2004): Behagliche Nachhaltigkeit. Forschungsbericht Haus der Zukunft, BMVIT 2004
[8] Lipp B, Rohregger G, Moser M, Frühwirth M, Lackner HK, Klima H (2000): Die Auswirkung von Kachelofen- bzw. Radiator-beheizten Räumen auf physiologische Zustandsparameter beim Menschen, Forschungsbericht – Österreichischer Kachelofenverband, Joanneum Research und IBO GmbH., IBO Eigenverlag, Wien.
[9] Lipp B, Brezovits K, Moser M, Frühwirth M, Lackner HK (1999): Die Auswirkung von Kachelofen- bzw. Radiator-beheizten Räumen auf das Autonome Bild beim Menschen, Forschungsbericht – Österreichischer Kachelofenverband, Joanneum Research und IBO GmbH., IBO Eigenverlag, Wien.
[10] Waltjen T (1997): Vorteile von Heizungen mit hohem Strahlungsanteil in physiologischer und gesundheitlicher Hinsicht. IBO Studie im Auftrag des Österreichischen Kachelofenverband, Wien.

Kontakt

Abb. 1: Ein Versuch Behaglichkeit mit modernster nichtinvasiver Diagnostik direkt zu messen [8]
Abb. 2: KYMO-System und Mini-Präzisions-EKG
Abb.3: Behaglichkeitsbaum (links)HSB-Messsystem (rechts)
Abb. 4: Detektion eine plötzlich auftretenden Unbehaglichkeitszustandes auf einem Büroarbeitsplatz
Abb. 5: Fassadenbox Plan und Ausführung
Abb. 6: Behaglichkeitsmessbaum mit den Messparametern
Abb. 7: Temperaturprofile in den drei Tagen
Abb. 8: Die FLUCCO+-Fragebögen
Abb. 9: Ein Auszug aus den abgegebenen Bewertungskategorien
Abb. 10 + 11: Herzratenverlauf in der Fassadenbox am 2.Tag von VP1 (oben)
Herzratenverlauf im Hotelzimmer von VP1 in der 2.ten Nacht (unten)
Abb. 12: Mittlere PMV-Bewertung für Kopf, Oberkörper, Unterkörper und Füße
Abb. 13: Mittlere Bewertung für die Variablen ThWohlbefinden (Fanger-Skala), ThPräferenz und ThKomfort (Behaglichkeit)
Abb. 14: Analysemethoden für die HRV [1]
Abb. 15: Korrelationsanalyse der Bewertung ThWohlbefinden (Fanger-Bewertung) mit den gemessen physiologischen Werten
Abb. 16: Korrelationsanalyse der Bewertung ThWohlbefinden (Fanger-Bewertung) mit den gemessen physiologischen ThKomfort Werten
Abb. 17: Korrelationsanalyse der Bewertung ThWohlbefinden (Fanger-Bewertung) mit den gemessenen physiologischen ThKomfort Werten
Abb. 18: Korrelationsanalyse der Bewertung ThWohlbefinden (Fanger-Bewertung) mit den gemessenen physiologischen ThKomfort Werten