Untersuchung des Wärmestrahlungseffektes auf das thermische Empfinden und den thermischen Komfort

• Antragsteller: Professor Andreas Wagner
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik ; Architektur, Bau- und Konstruktionsgeschichte, Bauforschung, Ressourcenökonomie im Bauwesen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443126640

Obwohl Strahlungsheizungen – insbesondere Fußbodenheizungen – große Beliebtheit erlangt haben, erfolgt die simulatorische Komfortbewertung dieser Systeme immer noch auf Basis von Modellen ohne präzise Abbildung des Wärmestrahlungsaustausches zwischen dem menschlichen Körper und seiner Umgebung. Dies kann sich als kritisch erweisen bei maßgeblichen Strahlungstemperaturasymmetrien aufgrund von größeren Differenzen der Oberflächentemperaturen eines Innenraums. Das kann insbesondere bei der Planung eines neuen Heizsystems während der Sanierung von älteren, weniger energieeffizienten Gebäuden auftreten, die nur mäßig gedämmte Außenwände oder Fenster aufweisen. Bestehende Komfortmodelle fokussieren entweder stark auf den konvektiven Wärmeübergang, mit vereinfachten Termen für die Strahlung, oder weisen andere Schwächen auf (keine physiologischen Parameter, nicht anwendbar für asymmetrische Bedingungen etc.).Vor diesem Hintergrund ist es Ziel dieses Antrags, ein bestehendes Modell für thermisches Empfinden und Komfort – das Berkeley-Komfortmodell – zu erweitern um ein detaillierteres Modell für den Wärmestrahlungsaustausch zwischen Körperteilen und deren thermischer Umgebung. Dieses Modell wird entwickelt durch Korrelation subjektiver (Rückmeldungen von Probanden) und objektiver Daten (physikalische Messungen) aus Experimenten in einer Klimakammer unter konstanten/gleichförmigen, konstanten/asymmetrischen und transienten/asymmetrischen Bedingungen, bei denen ein neuentwickeltes Gerät zur Messung des Wärmestrahlungsaustausches von Körperteilen eingesetzt wird. Die Erweiterung berücksichtigt die vier Teilmodelle des Berkeley-Modells – lokales Empfinden, lokaler Komfort, gesamthaftes Empfinden (Ganzkörper), gesamthafter Komfort – und wird auf einer statistischen Analyse basieren, die unterschiedliche mathematische Ansätze für einen optimalen Fit benutzt.Zur Messung des Wärmestrahlungsaustausches wird ein neues Gerät gebaut, das aus einem modularen Strahlungspanel und einem Teleskoparm besteht. Das modulare Panel besteht aus acht beweglichen Teilen gleicher Größe. Deren vordere Oberfläche wird auf das jeweilige Körperteil ausgerichtet und jedes Modul besitzt ein Heizelement, das einen Wärmefluss auf Basis des Joule-Effekts erzeugt.Die Validierung des erweiterten Berkeley-Modells erfolgt mit experimentellen Daten aus weiteren Versuchen mit Probanden unter thermisch asymmetrischen Bedingungen in einer Klimakammer. Danach wird das erweiterte Modell für thermisches Empfinden und Komfort benutzt, um – als Nachweis für seine Einsatzfähigkeit – Strahlungsheizungssysteme unter realistischen Randbedingungen für Gebäude zu beurteilen. Zu diesem Zweck wird ein Fallstudienszenario entworfen und eine Parameterstudie durchgeführt, um den thermischen Komfort in einem Raum mit variierenden Dämmlevels und damit Oberflächentemperaturen der äußeren Bauteile sowie unterschiedlichen Oberflächentemperaturen der Strahlungsheizung (Fußboden, Decke) zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China, USA
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Hui Zhang, Ph.D.; Professor Dr. Xiang Zhou, Ph.D.