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Der Wärmekörper Mensch im umbauten Raum - Den größten Anteil im Wärmeempfinden des Menschen hat die flächenbezogene Wärmestrahlung

Der Wärmekörper Mensch befindet sich im Raum inmitten des Prinzips von Wärmequelle und Wärmesenke. Und er wirkt auch in beide Richtungen. Selbst im ruhenden Zustand gibt der Mensch etwa 80 Watt Wärme an seine Umgebung durch Strahlung, Konvektion und Leitung ab. Den fraglos größten Anteil im Wärmeempfinden des Menschen hat die flächenbezogene Wärmestrahlung. Je nach Umgebungstemperatur wirkt über die Oberfläche des Menschen der physiologische Wärmeübergang als positiver oder negativer Wärmestrom auf den Körper des Menschen. Über eine sogenannte „thermische Behaglichkeit“ weit hinaus, ist es der grundlegende Sinn von Atmung und Nahrungsaufnahme des Menschen, die Körperwärme als Lebensgrundlage überhaupt aufrechtzuhalten.

Der Mensch als Wärmekörper und seine thermodynamischen Wechselbeziehungen in seiner Umgebung des umbauten Raums. Quelle: Frank Hartmann, Forum Wohnenergie

Die Wärmezonen des Menschen als physiologische Grundlage der thermischen Behaglichkeit. Quelle: Frank Hartmann, Forum Wohnenergie

 

Den fraglos größten Anteil im Wärmeempfinden des Menschen hat die flächenbezogene Wärmestrahlung. Je nach Umgebungstemperatur wirkt über die Oberfläche des Menschen der physiologische Wärmeübergang als positiver oder negativer Wärmestrom auf den Körper des Menschen. Über eine sogenannte „thermische Behaglichkeit“ weit hinaus, ist es der grundlegende Sinn von Atmung und Nahrungsaufnahme des Menschen, die Körperwärme als Lebensgrundlage überhaupt aufrechtzuhalten.
Für die thermische Behaglichkeit ist die den Menschen umgebende Wärmequalität entscheidend. Die hohe Wärmequalität des modernen Bauens beschreibt ausgeglichene Temperaturen in der unmittelbaren Umgebung von Körpern und Flächen im umbauten Raum. Sie ist natürlich auch von den verwendeten Baustoffen bzw. etwaigen Wärmebrücken abhängig. Dies bedeutet, dass auch Flächen, die nicht direkt erwärmt werden, durch die Strahlung der Flächenheizung/-kühlung in gegenüberliegenden Flächen ebenso temperiert werden. Das Wirkprinzip der Wärmestrahlung nutzt aber nicht nur die Wärmespeicherpotenziale passiver Körper, sondern unterstützt darüber hinaus auch die baukonstruktive Vermeidung von Wärmebrücken bzw. die thermische Optimierung von Bauteilen, sowohl in Wohn- als auch in Nichtwohngebäuden.
In diesem Sinne wirken sich die Systemtemperaturen der Flächenheizung/-kühlung besonders durch eine hohe Wärmequalität aus, da nicht nur die flächig in den Raum einwirkende Wärmestrahlung den physiologischen Anforderungen des Menschen optimal entspricht, sondern auch das Wärmeverhalten sämtlicher Baukörper im Raum.
Wärme kann nur von einem höher temperierten zu einem niedriger temperierten Körper (durch Strahlung, Konvektion und Leitung) übergehen. Die Richtung des Wärmestroms bezeichnet den Prozess des Wärmens (Übertemperatur) oder des Kühlens (Untertemperatur). Es ist also der Temperaturunterschied zwischen dem Körper und den Umgebungsflächen des Raumes der entscheidet, ob der Körper als Wärmequelle oder als Wärmesenke wirkt. Je größer die wirksame Fläche und der Temperaturunterschied, desto größer ist der Wärmeübergang. Die Oberflächentemperaturen der Umschließungsflächen des umbauten Raumes (Boden, Wand, Decke) haben demnach die größte Wirkung auf den Menschen. Letztendlich bilden der Mensch sowie die Umgebungsflächen ein thermisches Wechselverhältnis.
Ist das Wechselverhältnis zwischen Mensch und Raum durch eine Übertemperatur beschrieben, so spricht man vom Heizen. Bei der Kühlung verhält es sich umgekehrt. Es wirkt ein entgegengesetzter Wärmestrom und die Oberfläche der Umschließungsfläche weist eine Untertemperatur auf.

Der Mensch als Wärmekörper

Die niedrigste Oberflächentemperatur der nackten Haut beträgt etwa 26°C (je nach physischer Kondition auch weniger). Aus diesem Grund verlangt der thermische Komfortanspruch des Menschen insbesondere in Badezimmern und Duschbädern die höchste Raumtemperatur im umbauten Raum, da an diesen Orten seine gesamte Hautoberfläche der unmittelbaren Umgebung direkt ausgesetzt ist. Eine Raumtemperatur von bis zu 25°C wirkt in diesem physiologischen Sinne thermisch ausgleichend.
Wäre die Umgebungstemperatur deutlich geringer, würde der Wärmestrom (Wärmeabgabe) des menschlichen Körpers an seine Umgebung so groß, dass er dem Körper mehr Wärme entzieht als es für die thermische Behaglichkeit zuträglich wäre. Die Folge dieses überproportionalen Wärmeentzugs empfindet der Mensch als „Entwärmung“ und dementsprechend als thermische Unbehaglichkeit (umgangssprachlich „Frieren“). Dieser Prozess findet auch in den Umschließungsflächen der thermischen Hülle („3. Haut“) eines Gebäudes statt. Wenn die Transmissions-Wärmeverluste größer sind als der passive Solareintrag und interne Gewinne, beginnt auch das Haus zu „frieren“.
Entsprechend der Physiologie des Menschen und den Gesetzen der Thermodynamik ist die Wärmestrahlung die natürlichste und angenehmste Form der Wärmeempfindung. Die unmittelbare Umgebungslufttemperatur spielt für das thermische Empfinden des Menschen eine eher untergeordnete Rolle. Der Mensch kann das im Winter erleben, wenn bei - 10°C die Sonne scheint und er sich durchaus thermisch ausgeglichen fühlt. Schiebt sich eine Wolke davor, wirkt nunmehr die kalte Umgebungsluft, die thermische Ausgeglichenheit wird aufgelöst und der Mensch beginnt zu frieren.

Oberflächentemperaturen im Raum

Durch die flächenbezogene Wirkung der Flächenheizung /-kühlung entsteht ein direktes Wechselverhältnis nicht nur zum Raum, sondern insbesondere zum Menschen und jedem anderen Körper (Möbel, Einrichtung) im Raum. Für die spezifische Wärme- als auch die Kälteleistung sind umso niedrigere Systemtemperaturen notwendig, je mehr wirksame Fläche zur Wärmeübertragung zur Verfügung steht.
Die Tabelle mit den thermischen Kennwerten der Flächenheizung/-kühlung zeigt die wesentlichen Unterschiede der drei verschiedenen Systemvarianten. Besonders auffällig sind in diesem Zusammenhang die Leistungsunterschiede für das Heizen und Kühlen im Bereich der Decke und des Bodens. Die Oberflächentemperaturen zeigen den direkten Bezug zum Menschen und seinem Körper.
Entsprechend den Anforderungen im Jahreslauf der mitteleuropäischen Klimazone ermöglicht eine wassergeführte Flächentemperierung die Doppelfunktion Heizung und Kühlung. Mit ein und demselben System wird lediglich der Wärmestrom umgerichtet. Im Winter funktioniert der Raum als Wärmesenke (Transmissions-Wärmeverluste) und bedarf einer Wärmequelle (Wärmeerzeugung- und Wärmebereitstellung) mit der Schnittstelle Pufferspeicher. Im Sommer bei hohen Hitzelasten der Umgebung wirkt der Raum als Wärmequelle, der einer Wärmesenke (passiv oder aktiv) bedarf, um Wärme aus dem Raum abzuführen. Die passive Kühlung verlangt dafür lediglich eine natürliche Wärmesenke – wie z.B. einen Wärmeübertrager im oberflächennahen Untergrund – und ermöglicht eine Reduzierung der Innenraumtemperatur von etwa 3 – 4 K im Verhältnis zur Außentemperatur. Und dies ohne zusätzlichen Energieaufwand. Benötigt man eine größere Kühlleistung, kann diese über eine Kältemaschine, z.B. einer Wärmepumpe, mit einem entsprechenden Energieaufwand zur Kälteerzeugung weiter reduziert werden. Natürlich stehen in diesem sommerlichen Kühlprozess auch Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung (z.B. Trinkwassererwärmung, Prozesswärme, usw.) zu Verfügung.
Um diese Vielfalt an Möglichkeiten zu nutzen, ist ein wassergeführtes Zentralheizungssystem notwendig. Elektrische Heizelemente sind nur für den winterlichen Heizbetrieb denkbar, aufgrund der Energieart aber nicht nur primärenergetisch (keine PV-Nutzung möglich), sondern auch im Kontext der Wohngesundheit (Elektrosmog) problematisch.

Fazit

Für die thermische Behaglichkeit in Wohnräumen ist – entsprechend den physiologischen Anforderungen des Menschen und des natürlichen Wärmehaushaltes des Menschen – eine Flächentemperierung (Flächenheizung/-kühlung) mit dem Wirkprinzip der Wärmestrahlung naheliegend. Sie ermöglicht dabei noch eine maximale Energieeffizienz. Eine Temperierung von umgebenden Raumflächen entspricht am optimalsten dem natürlichen Wärmeempfinden des Menschen.

Autor: Frank Hartmann

 


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