Einflussgröße und Bedeutung der thermischen Behaglichkeit: Wohlfühlklima

Wichtige Parameter für die thermische Behaglichkeit sind z. B. jeweils „passende“ Temperaturen, Luftfeuchten und Luftgeschwindigkeiten an den Orten, an denen wir uns gerade aufhalten. Hinzu kommen noch die aktuelle Aktivität und der Bekleidungszustand. Allerdings ist die thermische Behaglichkeit keine absolute Größe, sondern sie wird von Menschen individuell unterschiedlich empfunden. Daher können im Hinblick auf die verschiedenen Behaglichkeitsparameter nur Bereiche und Grenzen vorgegeben werden, die sich auf Basis von Experimenten und Studien ergeben haben und die von den meisten Menschen als behaglich beurteilt werden.

Auswirkungen auf Konzentration und Leistung

Die thermische Behaglichkeit hat einen großen Einfluss nicht nur auf unser allgemeines Wohlbefinden, sondern auch auf unsere Konzentrations- und Leistungsfähigkeit, z. B. bei Tätigkeiten an Büroarbeitsplätzen. Viele in den letzten 30 Jahren weltweit durchgeführte Studien haben gezeigt, dass z. B. bei zu niedrigen oder zu hohen Temperaturen oder Luftfeuchten, die außerhalb des Behaglichkeitsempfindens liegen, Leistung und Konzentration durchaus um 5 bis 10 % abnehmen können (siehe Abb. auf S. 41 oben).

Generell kann eine thermische Behaglichkeit in Gebäuden ganzjährig nur durch den Betrieb von technischen Anlagen sichergestellt werden. Im Winter sorgt die Heizung für angenehme Raumtemperaturen, das ist Standard. Doch gleichzeitig wird in kalten Jahreszeiten beim Heizen die Raumluft sehr trocken und kann Krankheiten auslösen. Dies kann durch eine gezielte Befeuchtung der Raumluft vermieden werden. Demgegenüber heizen sich im Sommer die Räume infolge der Sonneneinstrahlung und durch Wärmeabgaben der inneren Lasten schnell auf. Diese unerwünschte Hitze muss dann durch den Betrieb von Klimaanlagen oder Raumkühlsystemen abgeführt werden, um als unbehaglich empfundene Temperaturen über z. B. 26 °C zu vermeiden.

Technische Regeln zur thermischen Behaglichkeit

Die wichtigste technische Regel mit Aussagen zur thermischen Behaglichkeit ist die DIN EN ISO 7730 „Ergonomie der thermischen Umgebung – Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit“ von Mai 2006. Auf diese Norm beziehen sich viele weitere Normen und Richtlinien, wenn es um Festlegungen von geeigneten Raumtemperaturen, Raumluftfeuchten und Luftgeschwindigkeiten geht. Allerdings ist die DIN EN ISO 7730 schon recht alt. Daher wurden Aspekte der thermischen Behaglichkeit in neuen Normen wie z. B. in der DIN EN 16798 „Lüftung von Gebäuden. Teil 1 „Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik“ (April 2021) und in der DIN EN 16798 „Lüftung von Gebäuden. Teil 3: Lüftung von Nichtwohngebäuden“ (November 2017) überarbeitet und aktualisiert. Eine weitere wichtige Verordnung ist die Arbeitsstättenregel ASR 3.5 Raumtemperatur.

Welches Klima braucht der Mensch?

Physikalisch betrachtet, ist der Mensch eine komplexe Wärme-Kraft-Maschine. Die Nahrung ist die Energiequelle, und sie wird mithilfe von Sauerstoff (Atmung) verbrannt. Dadurch sichern wir dauerhaft eine Körpertemperatur von etwa 36 °C und können die Energie z. B. im Gehirn für Denkprozesse und in der Muskulatur für Bewegungen umsetzen. Letztlich produziert der Mensch aber stets mehr Wärme, als er tatsächlich benötigt. Und diese überschüssige Wärme muss er kontinuierlich abgeben, um nicht zu überhitzen und zu kollabieren. Dabei gibt es aber noch zwei wichtige Zusatzaspekte zu berücksichtigen:

Erstens der Aktivitätsgrad in der Einheit „met“ (metabolic rate). Wenn sich eine Person stark anstrengt oder Sport betreibt, sind der Energieumsatz und die Wärmeabgabe des Körpers deutlich höher als z. B. bei einer Bürotätigkeit oder im Ruhezustand (Schlafen). Diese Faktoren werden durch den met-Wert dargestellt (siehe Abb. unten links).

Zweitens den Bekleidungszustand in der Einheit „clo“ (clothing). In einer kalten Umgebung schützen wir uns durch warme Kleidung davor, zu viel Wärme abzugeben. Andererseits tragen wir, wenn es warm ist, luftige Kleidung und zeigen „viel Haut“, um Wärme loszuwerden.

Bei all diesen Abläufen beschreibt die thermische Behaglichkeit das aktuelle Wohlbefinden des Menschen. Dieses ist, vereinfacht gesagt, dann gegeben, wenn sich beim Menschen die Wärmeproduktion und die Wärmeabgabe im Gleichgewicht befinden. Aber auf welche Weise und wohin können wir die überschüssige Wärme abgeben?

Die Mechanismen der Wärmeabgabe

Zum Abführen von Wärme stehen dem Menschen fünf Möglichkeiten zur Verfügung:

• Wärmeabgabe durch Konvektion an die Umgebungsluft
• Wärmeabgabe durch Strahlung an die Umgebungsflächen
• Wärmeabgabe durch Verdunsten von Wasser (Schwitzen)
• Wärmeabgabe durch Atmung
• Wärmeabgabe durch Wärmeleitung an Kontaktflächen

Alle in der Abbildung oben dargestellten Prozesse zur Wärmeabgabe laufen stets gleichzeitig ab. Dabei gibt es aber in Abhängigkeit davon, in welcher (thermischen) Umgebung sich eine Person gerade befindet, oft erhebliche Unterschiede, wie viel Wärme z. B. durch Konvektion an die Luft, durch Strahlung an kühlere Flächen oder durch Verdunstung (Schwitzen) abgegeben wird. Bei einer Raumtemperatur von 24 °C und einer leichten Tätigkeit (Büro) verteilt sich die Wärmeabgabe des Menschen von rund 120 W zu je etwa ein Drittel auf Konvektion, Feuchteabgabe und Strahlung.

Wärmeabgabe an die umgebene Luft

Die Wärmeabgabe an die den Menschen umgebene (Raum-)Luft wird als „Konvektion“ bezeichnet und ist besonders von folgenden drei Faktoren abhängig.

Die Lufttemperatur
In der Regel ist in Räumen die Luft kühler als die Temperatur des Körpers und der Bekleidung. Dadurch strömt infolge des thermischen Auftriebs Raumluft am Körper entlang aufwärts. Je geringer die Lufttemperatur ist, umso stärker ist der Auftrieb. Dann strömt mehr Luft am Körper entlang, und es wird mehr Wärme von der Bekleidung und von der unbekleideten Haut an die kühlere Raumluft abgegeben. Zur Einstellung einer guten thermischen Behaglichkeit werden Raumlufttemperaturen von mindestens etwa 20 °C (Winter) und maximal 26 °C (Sommer) empfohlen.

Durch die ständige Wärmeabgabe von Personen, (Büro-)Geräten, der Beleuchtung und besonders durch die einstrahlende Sonne heizen im Sommer die Räume rasch auf, und es werden schnell Raumtemperaturen von oft deutlich über 26 °C erreicht. Da auch durch das Öffnen der Fenster keine Raumwärme an die warme Außenluft abgegeben werden kann, kann in warmen Jahreszeiten das Einhalten einer maximalen, angenehmen Raumtemperatur unter 26 °C nur durch den Betrieb von Klimaanlagen, Raumklimageräten oder Kühlflächen (Kühldecken, Kühlsegel) sichergestellt werden, die kontinuierlich die überschüssige Wärme aus dem Raum abführen.

Die Luftfeuchte
Die Hautoberfläche hat stets eine sehr hohe Feuchte. Je geringer die Feuchte der Luft ist, umso mehr Feuchte wird von der (unbekleideten) Haut an die an der Haut vorbeiströmende Luft abgegeben. Zur Einstellung einer guten thermischen Behaglichkeit werden Raumluftfeuchten zwischen mindestens etwa 35 % (Winter) und maximal 65 % (Sommer) empfohlen.

Besonders im Winter liegen die Raumluftfeuchten sehr oft unter dem Minimalwert von 35 %. Der Grund dafür ist einfach: Wenn z. B. beim Öffnen eines Fensters kalte Luft in den warmen Raum einströmt, ist diese sehr trocken. Dadurch ergeben sich in den warmen Räumen oft relative Luftfeuchten von weniger als 20 %. Die Folgen davon sind Reizungen der Augen, der Rachen- und Nasenschleimhäute und eine steigende Gefährdung von Erkältungs- und Grippeerkrankungen. In zentralen Lüftungs- und Klimaanlagen kann die angesaugte kühle und trockene Außenluft bei ihrer Behandlung auf den gewünschten Zuluftzustand problemlos auf geeignete Werte von rund 40 bis 50 % befeuchtet werden. In Gebäuden ohne eine Lüftungsanlage können einzelne, dezentrale Luftbefeuchter in den Räumen für Abhilfe sorgen.

Die Luftgeschwindigkeit
Je höher die Geschwindigkeit der Luft ist, die an unbekleideten Körperstellen vorbeiströmt, umso mehr Wärme und Feuchte kann diese von der Haut aufnehmen. Wird dieser Wärme- und Feuchteentzug bei einer zu hohen Luftgeschwindigkeit und/oder einer zu geringen Lufttemperatur zu groß, spricht man von unangenehmen Zugerscheinungen. Für eine gute thermische Behaglichkeit wird eine Luftgeschwindigkeit von unter 0,2 m/s bei einer Lufttemperatur von etwa 20 bis 26 °C empfohlen.

In Räumen ohne eine Lüftungs- oder Klimaanlage gibt es kaum Luftbewegungen, höchstens beim Öffnen der Fenster und einer großen Temperaturdifferenz zwischen der Außen- und der Raumluft. Daher werden seit vielen Jahren Lüftungsanlagen so ausgelegt, dass sich in den Aufenthaltsbereichen maximale Luftgeschwindigkeiten von etwa 0,2 m/s einstellen.

Wärmeabgabe durch Strahlung an Raumumschließungsflächen

Zusätzlich zur Wärmeabgabe an die Luft gibt der Mensch auch Wärme an die Raumumschließungsflächen ab. Das sind Decken, Wände und Fenster mit kühleren Temperaturen als die Körperoberfläche. Bei neuen, gut wärmegedämmten und mit guten Verglasungen ausgestatteten Gebäuden haben die Umschließungsflächen etwa die gleiche Temperatur wie die Raumluft. Dann beträgt die Wärmeabgabe des Menschen an diese Flächen etwa ein Drittel der gesamten Wärmeabgabe. Wird in einem Raum aber, meist zur Kühlung (Wärmeabführung), ein System zur Flächentemperierung betrieben (Kühldecken, Kühlsegel, Betonkerntemperierung), erhöht sich die Wärmeabgabe durch Strahlung an diese kühlen Flächen erheblich.

Viele Studien haben nachgewiesen, dass sich bei einer Oberflächentemperatur einer Kühldecke von 19 bis 20 °C (Kühlbetrieb) oder von 30 bis 32 °C (Heizbetrieb) eine sehr gute thermische Behaglichkeit einstellt, da diese Art der sanften Wärmeabgabe an eine kühle Fläche nahezu unbemerkt erfolgt und als angenehm empfunden wird.

Wärmeabgabe durch Verdunstung

Wenn der Mensch, z. B. aufgrund einer zu hohen Raumtemperatur oder einer hohen Aktivität (große Wärmefreisetzung), nicht mehr in der Lage ist, die im Körper produzierte überschüssige Wärme an die ihn umgebende Luft oder an kühlere Flächen abzugeben, setzt die Wärmeabgabe durch Verdunstung ein (Schwitzen). Dieser Effekt hat eine sehr hohe Bedeutung, denn ohne Schwitzen würde unser Körper bei größeren Anstrengungen oder bei einer hohen Umgebungstemperatur (Beispiel Sauna) überhitzen, sich Fieber einstellen und letztlich kollabieren.

Durch das Verdunsten von Schweiß auf der Haut kann der Körper sehr rasch eine sehr große Wärmemenge von 2.500 kJ/kg Wasser (Schweiß) abgeben, die sich beim Verdunsten von Wasser einstellt. Das bedeutet: Wenn eine Person z. B. bei einer sportlichen Aktivität in einer Stunde 0,5 l Wasser verdunstet, entspricht das einer Wärmeabgabe von durchschnittlich rund 350 W in dieser Stunde.

Einfluss der Atmung und der Wärmeleitung

Bei normaler Tätigkeit, z. B. im Büro, beträgt das Atemvolumen einer Person etwa 0,5 bis 0,6 m³ Luft pro Stunde. Durch das Einatmen von Luft mit Raumtemperatur und das Ausatmen der Luft mit einer Temperatur von etwa 35 °C und einer Feuchte von 95 bis 100 % wird aber nur eine Wärmemenge von wenigen Watt abgegeben, die im Vergleich zu den beschriebenen Mechanismen der Wärmeabgabe durch Strahlung, Konvektion und Verdunstung vernachlässigbar ist. Gleiches gilt für die Wärmeabgabe durch Wärmeleitung von den Füßen zum kühleren Fußboden.

Eine zusammenfassende Darstellung der Anteile der Kriterien der thermischen Behaglichkeit in einem Raum zeigt beispielhaft das Diagramm unten.

Die Arbeitsstättenregel ASR 3.5 Raumtemperatur

Eine besondere Bedeutung bezüglich Raumtemperaturen und der thermischen Behaglichkeit hat die Arbeitsstättenregel ASR 3.5 „Raumtemperatur der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin“ (Ausgabe Juni 2010). Arbeitsstättenregeln haben quasi Gesetzescharakter und sind in Gebäuden und Räumen im Hinblick auf dort jeweils vorgesehene Tätigkeiten und die dafür vorgegebenen Anforderungen einzuhalten. Generell fordert die ASR eine „gesundheitlich zuträgliche Raumtemperatur“. Diese ist dann gegeben, wenn die Wärmebilanz (Wärmezufuhr, Wärmeerzeugung und Wärmeabführung) des menschlichen Körpers ausgeglichen ist. Nachfolgend ein Blick in die ASR 3.5 und die Regelungen für Büro- und ähnliche Arbeitsplätze:

• Die Raumtemperatur sollte zwischen 20 und 26 °C betragen.
• Steigt die Raumtemperatur auf über 26 °C, sind die Verschattungseinrichtungen gegen Sonneneinstrahlung zu prüfen. Sollte es keine geben, sind solche ggf. nachzurüsten.
• Steigt bei einer Außentemperatur über 26 °C die Raumtemperatur auf über 30 °C, sind ergänzende Maßnahmen zu treffen. Diese sind z. B.: eine Nachtauskühlung des Gebäudes (mit kühler Außenluft), eine Verringerung der inneren thermischen Lasten (elektrische Geräte), Lüftung in den frühen Morgenstunden, Nutzung von Gleitzeitregeln zur Arbeitszeitverlagerung, Lockerung der Bekleidungsregeln, Bereitstellen von geeigneten Getränken.
• Bei Raumtemperaturen über 35 °C ist der Raum nicht mehr als Arbeitsraum geeignet.

Somit entsprechen die Vorgaben der ASR 3.5 zwar weitgehend den zuvor im Beitrag erläuterten Parametern der thermischen Behaglichkeit, gehen aber besonders beim Zulassen von hohen Raumtemperaturen deutlich über die in Nomen zitierten Grenzwerte von etwa 26 °C hinaus. Bei einer nach ASR 3.5 noch zulässigen Raumtemperatur von 32 °C beträgt die Leistungs- und Konzentrationsfähigkeit nur noch rund 90 %.

Überschrift Abschnitt 2

Neben den zuvor beschriebenen Aspekten, die die thermische Behaglichkeit beeinflussen, gibt es noch einen weiteren wichtigen Faktor: Das ist die Luftqualität, die sog. olfaktorische Behaglichkeit. Dazu nachfolgend nur einige zusammenfassende Aussagen: Die Raumluft wird durch die Abgabe von Geruchs- und Schadstoffen aus Decken, Wänden und Böden, aus Einrichtungsgegenständen, den Betrieb von Geräten und durch CO², das beim Ausatmen abgegeben wird, ständig belastet. Als Grenzwert für eine gesundheitlich unbedenkliche und qualitativ gute Luftqualität gilt nach vielen Normen und Richtlinien – auch gemäß der Arbeitsstättenregel ASR 3.6 Lüftung (Ausgabe Januar 2012) – ein Wert von 1.000 ppm CO² in der Raumluft. Dieser Grenzwert ist aber dauerhaft nur einzuhalten, wenn es in dem Raum einen ausreichenden Luftwechsel gibt, also die belastete Raumluft abgeführt und durch unbelastete Außenluft ersetzt wird. Dies kann durch das regelmäßige Öffnen von Fenstern erfolgen, wobei dann aber möglicherweise Stäube, Geruchsstoffe und zu kühle oder zu heiße Luft in den Raum einströmt. Befindet sich das Gebäude an einer belebten Straße, kann das Öffnen der Fenster zu einer Lärmbelästigung führen. Diese Probleme treten beim Betrieb einer Lüftungsanlage, die kontinuierlich gefilterte, erwärmte oder gekühlte Außenluft in die Räume einbringt und gleichzeitig die belastete Luft aus den Räumen abführt, nicht auf. Auf Basis von technischen Regeln wird für eine gute Raumluftqualität ein Außenluftvolumenstrom zwischen 40 und 50 m³/h pro Person oder ein etwa ein- bis eineinhalbfacher Luftwechsel empfohlen. Wichtige Aussagen dazu enthält z. B. die DIN EN 16798 Teil 1 „Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik“ (April 2021).

Quellen

[1] Barcol-Air GmbH (Hrsg.): Das Fachbuch für gute Raumbehaglichkeit. Expertenwissen aus langjähriger Forschung und Erfahrungen aus der täglichen Praxis vereint und mit mehr als 130 Bildern, Grafiken und Tabellen ergänzt. Barcol-Air AG, Schwerzenbach 2014, www.barcolair.de

Der Autor

Dr.-Ing. Manfred Stahl
Dr.-Ing. Manfred Stahl ist Inhaber von ms.solutions, einem in Karlsruhe ansässigen Fachbüro für Öffentlichkeitsarbeit und Beratungen von Unternehmen der technischen Gebäudeausrüstung. Er ist seit 1989 für die cci Dialog GmbH in Karlsruhe tätig, ehemals als geschäftsführender Gesellschafter, Chefredakteur und seit 2008 als Herausgeber der cci Zeitung, einer Publikation mit den Schwerpunkten Lüftungs‑, Kälte‑, Klimatechnik, Brandschutz und Gebäudeautomation.

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