Entwicklung eines Modellansatzes zur Bewertung der thermischen Behaglichkeit unter inhomogenen Klimabedingungen

  • Development of a model approach for the prediction of human thermal comfort at inhomogenous ambient conditions

Schmidt, Carolin; van Treeck, Christoph (Thesis advisor); Kriegel, Martin (Thesis advisor)

Aachen (2016)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit wird das Thema Modellierung der thermischen Behaglichkeit in den Kontext der energieeffizienten personalisierten Klimatisierung gesetzt. Bereits zahlreiche Studien internationaler Forschergruppen (Melikov et al., 1998; Hoyt et al., 2009; Schiavon, 2009; Zhang et al., 2010d; Sun et al., 2013; Zhai et al., 2013; Pasut et al., 2015; Schmidt et al., 2015a; Taub et al., 2015) bewiesen das existierende Energieeinsparpotential, das aus einer kombinierten Nutzung einer konventionellen konvektiven Innenraumklimatisierung und weiteren lokalen Heiz- bzw. Kühlsystemen resultiert. Vorteilhaft daran ist vor allem die gezielte, körpernahe Übertragung der erzeugten thermischen Energie auf den Menschen, sodass diese direkter und schneller wahrgenommen wird als bei der herkömmlichen Klimatisierung über den Luftkreislauf. Zudem benötigt die Klimatisierung des gesamten Luftvolumens eines Raums im Vergleich dazu deutlich mehr Energie, um erforderliche Soll-Lufttemperaturen zu erreichen und diese aufrecht zuhalten.Neben dem Aspekt der Energieeinsparung ist ebenso von Interesse, ob durch lokale Klimatisierungsstrategien ein vergleichbares Niveau in Hinblick auf die Ergonomie der thermischen Umgebung wie unter den konventionellen Klimakonzepten realisiert werden kann. Aus diesem Grund werden Modelle benötigt, mit denen Vorhersagen zur Temperaturwahrnehmung und des thermischen Komforts unter solch inhomogenen Klimabedingungen realisierbar sind. Allerdings sind vorhandene und teils standardisierte thermische Behaglichkeitsmodelle (Fiala, 1998; Zhang, 2003; DIN EN ISO 7730, 2006; DIN EN ISO 14505-2, 2007; ASHRAE Standard 55, 2013) für solche Anwendungsfälle nicht einsetzbar. Meist sind sie nur für homogene Umweltbedingungen nahe der thermischen Neutralität (Fanger, 1970) definiert, betrachten den Körper stets als Ganzes (Fanger, 1970; Fiala, 1998) oder vernachlässigen die in den Vordergrund tretenden Kontaktwärmeeinflüsse (Fanger, 1970; DIN EN ISO 14505-2, 2007). Infolgedessen entstand innerhalb dieser Arbeit ein neuer Modellierungsansatz, mit dem die thermische Behaglichkeit zukünftig vor allem unter asymmetrischen Randbedingungen vorhersagt werden kann. Innerhalb der neuen Modellstruktur werden Energiebilanzen berechnet, die den thermischen Zustand sowohl für den gesamten Körper als auch für einzelne Körpersegmente ableiten. Dabei wurde in jede Energiebilanz ein zusätzlicher Term integriert, der den Wärmeaustausch kontaktierender Körpersegmente in Form der Wärmeleitungsgleichung durch Festkörper beschreibt. Letztendlich ist das thermische Behaglichkeitsmodell für den Einsatz in einer komfortgeführten Klimaregelung vorgesehen, die vor allem Informationen über thermische Zustände als energetische Fehlersignale sowie über Körperregionen als Ortsinformationen nutzt. Für praktische Anwendungen ist das neu entstandene Bilanz-Komfortmodell zusammen mit zwölf weiteren thermischen Behaglichkeitsmodellen als Bibliothek in der objektorientierten Programmiersprache Modelica/Dymola umgesetzt worden. Jedes implementierte Modell wurde anhand von Literaturdaten bzw. -diagrammen verifiziert, um dessen Funktionalität garantieren zu können. Das neue Bilanz-Komfortmodell wiederum wurde erstmals anhand von experimentellen Daten, die aus zwei aufeinander folgenden Studien (Schmidt et al., 2013; Schmidt et al., 2015a) stammen, getestet, verifiziert und validiert. Im Vergleich zu den Referenzlösungen der originalen thermischen Behaglichkeitsmodelle von Fanger (1970) bzw. Zhang (2003) erreicht das neue thermische Komfortmodell deutlich bessere Übereinstimmungen mit den subjektiven Probandenbewertungen, sodass die generelle Anwendbarkeit des neuen Bilanz-Komfortmodellansatzes bewiesen werden konnte. Mit Hilfe dieser Abhandlung wurden Defizite in bestehenden Modellansätzen aufgezeigt und quantifiziert, die den Weg für zielgerichtete Untersuchungen zur weiteren Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit lokaler thermischer Behaglichkeitsmodelle in Folgearbeiten weisen.

Identifikationsnummern