Was ist gefühlte Temperatur?

Bereits 1927 wurden Untersuchungen zur leistungsfördernden Klimatisierung an Arbeitsplätzen ausgeführt. Nach 1945 wurde der Begriff Windchill-Index geprägt, der die Auswirkungen der Windgeschwindigkeit und Temperatur auf unser Wohlbefinden berücksichtigt. Dabei wird der Auskühlungseffekt berechnet, so dass eine Warnung vor drohender Gewebserfrierung möglich ist. Als Regelungsgröße für Klimaanlagen von Räumen ist diese Größe allerdings nicht geeignet, da die Berechnungen bei Windgeschwindigkeiten von 10 km/h und Temperaturen unter 5 °C erfolgen.

Wie empfindet der Mensch das Klima?

Das thermische Empfinden des Menschen wird nicht allein von dem Verhältnis von Lufttemperatur und Windgeschwindigkeit bestimmt. Der Mensch verfügt gar nicht über selektive Rezeptoren für die isolierte Lufttemperatur. Er verfügt aber über ein Regelungssystem, das die innere Körpertemperatur unabhängig von wechselnden klimatischen Umgebungsbedingungen innerhalb geringer Schwankungsbreiten konstant bei 37 °C hält. Die autonomen Thermo- und Kreislaufregularien versuchen, den Behaglichkeitszustand eines thermischen Gleichgewichts herzustellen: Die im Körper erzeugte Wärme zum Erhalt der Körperinnentemperatur ist gleich der an die Umgebung abgegebenen Wärme.

Mit steigenden Außentemperaturen sorgt die Wärmeregulation der Haut über vermehrtes Schwitzen für Verdunstungskälte. Reicht diese Thermoregulation nicht aus, öffnen sich die Blutgefäße, um die Wärme nach außen besser abzuleiten, der Blutdruck sinkt, die Pumpleistung des Herzen steigt. Spätestens bei dauerhaft über 40 °C Körperinnentemperatur kommt es zu lebensbedrohlichen Zuständen. Die Wärmebilanz ist nachhaltig gestört, die Wärmeableitung versagt. Nach dem Jahrhundertsommer 2003 mit europaweit 35000 Menschen, die den tropischen Temperaturen zum Opfer fielen, richtete der Deutsche Wetterdienst (DWD) im Sommer 2005 einen Hitzewarndienst ein erstmals nach gefühlter Temperatur ( http://www.dwd.de und VDI-Richtlinie 3787 Blatt 2).

Diese Warnung basiert auf dem Klima-Michel-Modell des DWD, einem umfassenden Rechenmodell, maßgeblich entwickelt von Gerd Jendritzky (1990). Die Variablen sind die gemessenen Wetterdaten für Lufttemperatur, Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit und kurz- bzw. langwellige Strahlungseinflüsse.

In diesem Modell werden nun nicht nur wie in den Anfängen die Strömungsgeschwindigkeit der Luft und die Temperatur berücksichtigt, sondern die für das menschliche Wohlbefinden vier Größen Luftgeschwindigkeit, Lufttemperatur, Luftfeuchte und Sonnenstrahlung.

Komfortsituation in Räumen?

Prof. P. Ole Fanger ist der Mann, der die gefühlte Temperatur in die Gebäude brachte. Die Ergebnisse der Untersuchungen des Kopenhagener Professors bilden die Grundlage für die internationale Norm über die Bedingungen der thermischen Behaglichkeit (EN ISO 7730). Das Klimakomfort-Modell von Fanger ergibt einen repräsentativen Vorhersagewert des Wärme- bzw. Kälte­empfindens als Grad des Unbehagens von Menschen in einem Wohn-, Arbeits- oder Versammlungsraum.

Das Diagramm zeigt eine der wichtigsten Erkenntnisse nach Fanger: Ein Luftzug von weniger als 10 cm/s genügt für das Absinken der gefühlten Temperatur um 4 K.

Nehmen wir die Kurve oder Iso-Behaglichkeitslinie mit einem schwachen Turbulenzgrad von 5 %. Entlang dieser Linie bleibt die gefühlte Temperatur gleich!

Im Beispieldiagramm sei 20 °C Raumtemperatur als Wunsch- oder Sollwert angenommen. Steigt die Temperatur auf 26 °C, genügt die Ventilatorleistung eines Palmwedels mit 0,4 m/s, um die gefühlte Temperatur auf der 20 °C-Linie zu halten. Die reine Lufttemperatur bewegt sich dabei nicht, sie bleibt die ganze Zeit über auf 26 °C. Jede Klimaregelung würde auf Hochtouren weiter ventilieren oder kühlen, bis die Luft komplett ausgetauscht ist. Im Vergleich zum PalmwedelEffekt ist das eine Energieschleuder mit Diskomfort durch starke Zugluft.

Diese Erkenntnisse über ein energieeffizientes und komfortables Raumklima nach gefühlter Temperatur fanden Eingang in die seit Dezember 2007 veröffentlichte, neue VDI/VDE Richtlinie 3512 für die Messung der Temperatur in Gebäuden. Dort wird der Messwert der gefühlten Temperatur als Basis für Behaglichkeitssensoren und Witterungsfühler definiert.

Umsetzung der Erkenntnisse mit Mikrotechnologien

Der Vereta-Klimachip setzt die oben beschriebenen neuesten Erkenntnisse zur Erfassung der gefühlten Temperatur in die Praxis durch Kombination von besonderen Mikrotechnologien um. Das angewandte Verfahren erzeugt 20 µm dünne Thermoelementketten auf einer vorgegebenen Platinenstruktur. Die Masse der Kammstruktur mit vielen Thermodrähten bleibt gering, das Signal des gewünschten thermoelektrischen Effektes aber verstärkt.

Diese Thermoelementketten können genau das, was das menschliche Temperaturempfinden prägt Erfassung von Temperaturdifferenzen. Der Sensor auf dem Klimachip funktioniert wie ein Finger im Wind.

Die Elektronik erzeugt 37 °C Körpertemperatur. Die äußeren und inneren Thermoelementhälften sind so angeordnet, dass sie Temperaturdifferenzen durch Wärmeverluste möglichst schnell signalisieren. Dazu ist die Sensorstruktur z. B. besonders zugluftempfindlich konzipiert. Die Sensorik reagiert wie der Mensch auf den Einfluss des gesamten Klimamix aus Zugluft, Feuchte und Sonne. Nicht die einzelnen Faktoren werden analysiert, sondern ihr Summen­effekt auf den erwärmten Körper.

Im Gegensatz zu komplexen Rechenmodellen kann damit der Grad der Wärme­ableitung des Körpers, je nach Raumklima, sofort bestimmt werden und steht als gefühlte Temperatur normgerecht zur Verfügung.

Der Klimachip in Gebäuden

Der neue Messwert der gefühlten Temperatur ist ein Werkzeug zur Optimierung der Regelstrategien für Lüftungs- und Klimaanlagen in allen Gebäudearten. Seit Dezember 2007 gibt es dazu die VDI/VDE Richtlinie 3512.

In Anlehnung an eine Musterberechnung des Fraunhofer Instituts für Bauphysik zur DIN 18599 verbraucht eine Raumlufttechnische Anlage (RLT) 2 % der gesamten Primärenergie eines Gebäudes allein für die Kühlfunktion. Die Optimierung der Lüftung zu Kühlzwecken nach gefühlter Temperatur reduziert diese Energieausgabe oder macht eine zusätzliche Kälteerzeugung gänzlich überflüssig. Rechnerisch ergibt das ein Einsparpotenzial von bis zu 5 kWh pro m² und Jahr, je nach Gebäudeart. Die Leistung der eingebauten Ventilatoren kann reduziert werden. Schon 0,5 m/s weniger Luftgeschwindigkeit kann bis zu 300 W pro m³ und Sekunde einsparen (Palmwedel-Effekt).

Bei wachsender Komplexität der Lüftungs-, Kühl- und Heizfunktionen ist es nicht mehr notwendig, die Signale mehrerer Sensoren (Temperatur, Luftströmung, Feuchte) aufeinander abzustimmen. Installations- und Investitionsaufwand werden reduziert. Die Auslegung und Konstruktion von lufttechnischen Anlagen wird insgesamt flexibler und kleiner. Die Gefahr, dass in der Praxis bei unzufriedenen Kunden eine Stellgröße verändert wird und dadurch das gesamte System nicht mehr wie ursprünglich konzipiert arbeitet, entfällt. Der Service­aufwand reduziert sich und die Laufzeit der Anlagen steigt (Komforteffekt).

Der Klimachip in Fahrzeugen

Die Klimatisierung in Fahrzeugen gehört heute fast schon zum Standard. Die Anforderungen dabei sind jedoch wesentlich höher als in Gebäuden, da das Fahrzeug sehr unterschiedlichen, schnell wechselnden Einflüssen ausgesetzt ist, die wesentlich schneller auf den Innenraum einwirken. Aber auch dabei ist der Mensch der Maßstab und mit dem Vereta-Klimachip ist es zum ersten Mal möglich, diese Referenz für die Regelungstechnik einzusetzen. Luftströmung, Feuchte und Sonneneinstrahlung entsprechend der Komforterwartung des Passagiers können mit einem Sensor effektiv und wirtschaftlich berücksichtigt werden.

Fazit

Klimatisierung in Gebäuden und Fahrzeugen wird auch durch die Veränderung der klimatischen Gegebenheiten sowie steigenden Energiekosten immer wichtiger. In der Fahrzeugtechnik waren Klimaanlagen in Europa bis vor wenigen Jahren Oberklassefahrzeugen vorbehalten, mittlerweile sind fast nur noch Kleinwagen ohne Klimaanlagen ausgestattet. Weltweit soll es bereits 400 Millionen Fahrzeuge mit Klimaanlagen geben. Hotels oder große öffentliche Gebäudekomplexe werden kaum noch ohne Klimaanlagen erstellt. Für die Regelung dieser Systeme wird in der Mehrzahl der Systeme lediglich die Temperatur herangezogen und gelegentlich die Luftströmung, Strahlungswärme oder Luftfeuchte berücksichtigt, die man dann jedoch mittels komplexer Algorithmen miteinander verknüpfen muss, was durch die Einzelelemente zu hohen Kosten führt.

Mit dem Vereta-Klimachip steht zum ersten Mal EIN Sensor zur Verfügung, der drei wichtige klimatische Messgrößen auf einmal erfasst, wodurch Kosten optimiert werden und gleichzeitig das menschliche Klimaempfinden, um das es ja letztendlich geht, die entscheidende Stellgröße für die Regelungstechnik ist. -

Technology MarketingSupport, St. Georgen

Entwicklungsleiter Vereta GmbH, Einbeck