Quellen für nachfolgende Inhalte sind Studienunterlagen, die Masterarbeit, Normen und Richtlinien, das Standardwerk der Medizinstudenten „Physiologie“, sowie weitere Fachartikel.
Nachfolgend eine erste Übersicht. Für Details bitte oben schauen.
D) Grundlagen menschlicher Körper
E) Energieumsatz Mensch ISO 8996
F) Dämmung Bekleidung ISO 9920
Wärme wird definiert als Bewegung von Molekülen, die über Reibung Wärme erzeugen.
Je stärker die Bewegung, umso höher die Reibung und damit die Temperatur.
Gemäß DIN 5031-10 besteht die Haut zu 59 % bis 72 % aus Wasser. Werden die Wassermoleküle in der Haut zum Schwingen gebracht, entsteht die Körperwärme, um die es primär bei dem Konzept Wärmen geht.
Die eigentliche Hauptaufgabe an alle Mediziner und Ingenieure: Finde intelligente Lösungen, die Wassermoleküle an allen Stellen des Körpers zum Schwingen zu bringen, damit über Reibung Wärme entsteht.
B) Wärmefluss zwischen zwei Körpern:
Nach dem Nullten Hauptsatz der Thermodynamik wird zwischen zwei im Wärmekontakt stehenden Körpern solange Energie vom wärmeren zum kälteren Körper übertragen, bis beide die gleiche Temperatur haben, d.h. ein thermisches Gleichgewicht erreicht ist.
Wärmefluss: Warm strömt immer zu kalt:
- 37 Grad Körpertemperatur strömt zu 21 Grad Raumtemperatur,
- 21 Grad Raumtemperatur zu 0 Grad Außentemperatur
In erster Linie ist es hilfreich, den Wärmefluss des Körpers in den Raum zu reduzieren, um so die Körperwärme zu speichern, z.B. mittels Hightech-Textilien mit hohen Dämmwerten nach ISO 9920, oder mittels Kleidung, die durch eine spezielle Struktur die Infrarotstrahlung des menschlichen Körpers reflektiert.
Leider wird in den Medien überwiegend der Wärmefluss vom Raum in die Umgebung beschrieben, dabei wäre es doch im wahrsten Sinne des Wortes am „naheliegendsten“, sich zunächst mit dem Wärmefluss vom Körper in den Raum zu beschäftigen.
Für den Raum und den Körper gelten die gleichen Hauptsätze der Thermodynamik. Man kann nach ISO-Norm eine Wärmeschutzberechnung für ein Gebäude erstellen oder analog eine Behaglichkeitsberechnung für den menschlichen Körper.
C) Wärmeübertragung auf den menschlichen Körper:
Wärme kann durch Kontakt, Konvektion und Infrarotstrahlung auf den menschlichen Körper übertragen werden.
1. Kontakt
Die Wärmeübertragung erfolgt durch Kontakt zweier Körper.
Das Prinzip wird für das Konzept Wärmen zur Wärme- oder Kälteerzeugung an ausgewählten Stellen des Körpers genutzt, sh. z.B. Sony REON Pocket, in Japan üblich.
2. Konvektion
Luft- (oder Wassermoleküle) werden erwärmt.
Das Konzept funktioniert sowohl für ein Raum, als auch für eine bekleidete Person, sh. z.B. Sony REON Pocket.
3. Infrarotstrahlung
Bei 103 THz (Infrarot B/C) hat Wasser gemäß DIN 5031-10 seine höchste Absorbtionsfähigkeit und beginnt zu schwingen, mit minimalsten Energieaufwand.
Infrarotstrahlung (2te Generation, z.B. HED) ist ein weiterer sehr wesentlicher Baustein für die Wärmewende.
Heizen:
Das Beheizen von Räumen funktioniert nach dem Prinzip der Konvektion, d.h. die Luftmoleküle in einem Raum werden erwärmt.
- Vorgelagerte Prozesse:
Extrem energie- und kostenintensive Kriege um Öl und Gas, der Bau und Betrieb tausender Kilometer Verteilnetze, LNG Häfen in Naturschutzgebieten, Heizkessel und Heizkreisläufe im Gebäude. Das gesamte Luftvolumen einer Halle oder eines Raumes wird erwärmt, d.h. alle Luftmoleküle werden zum Schwingen gebracht. Unter der Hallendecke in 13m Höhe ist es wärmer als am Fußboden, da warme Luft eine geringere Rohdichte hat als kalte Luft und somit nach oben aufsteigt. - Eigentlicher Prozess der Wärmeübertragung:
Nur die in unmittelbarer Körpernähe schwingenden Luftmoleküle bringen über Reibung an der Haut die Wassermoleküle der Haut zum Schwingen, so dass hier Körperwärme entsteht. Die Wärme unter dem Hallendach oder am anderen Ende der Halle hat keinen Nutzen für die Wassermoleküle in der Haut. Wirkungsgrad < 1 %. - Nachgelagerte Prozesse:
In diesen Gesamtprozess mit einzurechnen sind die Folgeaufwände des Klimawandels aufgrund des weltweit zu hohen CO2- Gehalts, der i.W. auch durch Öl- und Gasheizungen entstanden ist. Ein zukünftig weiter steigender CO2-Preis für Öl und Gas soll die Kosten hierfür abdecken, z.B. 25 Mrd. € alleine für das Nachrüsten von Klimaanlagen in Krankenhäusern, Umbau zu Hitze resistenten Städten, tiefere Fahrrinnen für ausgetrocknete Flüsse, damit diese wieder schiffbar sind, Autobahnen und Gleise für Temperaturen über 40 Grad umrüsten,… . Nicht zu vergessen die Waldbrände und deren Folgen, CO2 Endlager in der Nord- und Ostsee, besonders traurig die stetig steigende Anzahl an Hitzetoten. Mit diesen extrem kosten- und energieintensiven Folgeaufwänden ist eine weitere Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades verbunden. Es stellt sich die kritische Frage, welche Folgeschäden bei 3 Grad Erderwärmung zu erwarten sind ?
Wärmen:
Das Konzept Wärmen nutzt alle 3 Varianten:
Kontakt, Konvektion und Strahlung.
Es entstehen keine vorgelagerten und auch keine nachgelagerten Prozesse. Der Wirkungsgrad liegt bei über 99 %.
An dieser Stelle sei eine kurze persönliche Anekdote gestattet:
Seit 15 Jahren ist bei mir im Obergeschoss die Heizung aus, d.h. seit dieser Zeit interessiert mich nur noch die Körpertemperatur an allen Stellen des Körpers.
In einem Kennlerntermin, neu bei SMA, stellte mein damaliger Bereichsleiter mir freundlich die Frage, ob das nicht ziemlich radikal sei?
Dankend erwiderte ich ebenso freundlich, dass ich es ziemlich radikal finde, wenn in der Heizperiode 86 Millionen Deutsche 54 % des Endenergieverbrauchs zum Beheizen von Räumen verbrauchen und der Wirkungsgrad hierbei kleiner ist als 1 %, während Kipp-Punkte kurz bevorstehen.
Er bedankte sich bei mir mit dem Kommentar, dass es gut sei, dass ich Systeme aus unterschiedlichen Perspektiven betrachten kann.
Es folgte der SMA-Pilotversuch Wärmen statt Heizen. 😉
D) Der menschliche Körper und sein Wärmekreislauf
Ausgangspunkt für das Konzept Wärmen ist der menschliche Körper. Quelle für nachfolgende Beschreibungen ist das Standardwerk der Medizinstudenten „Physiologie“.
Ohne ein Grundverständnis für den eigenen Körper ist es nur unzureichend möglich professionelle und massentaugliche Lösungen für die Behaglichkeit an allen Stellen des Körpers zu finden.
An dieser Stelle werden beispielhaft nur die Thermorezeptoren beschrieben, für weitere Informationen bitte hier weiterlesen.
Thermorezeptoren der menschlichen Haut:
Die Haut- und Körperkerntemperaturen werden durch Kälte- und Wärmerezeptoren in der menschlichen Haut und im Körperkern erfasst. Über Nervenfasern sind die Thermorezeptoren mit dem Rückenmark und dem Hypothalamus verbunden.
Das Kälteempfinden wird von sogenannten Krause-Körperchen (Kälterezeptoren, Kältefühler) ausgelöst, von denen die meisten ca. 0,2 mm unter der Hautoberfläche liegen.
Insgesamt verfügt der menschliche Körper zwischen 10 und 20 Millionen der winzigen Thermorezeptoren, die vollflächig über den gesamten Körper verteilt sind. Im Gegensatz dazu verfügt ein Raum i.d.R über 1 Temperaturfühler.
Da die 10 bis 20 Millionen Krause-Körperchen ca. 0,2 mm unter der Hautoberfläche sitzen, messen sie alle ausschließlich die Körpertemperatur. Die Lufttemperatur ist ihnen völlig egal.
(Persönliche Anmerkung: mir geht es seit 15 Jahren genauso 😉 )
Damit lässt sich auch die Behaglichkeit der jungen Dame bei 0 Grad Lufttemperatur und Sommerkleidung erklären.
Entscheidend für die Behaglichkeit ist ausschließlich die Körpertemperatur, nicht die Lufttemperatur.
E) Der Energieumsatz des menschlichen Körpers nach ISO 8996
Analog zur Bestimmung des Heizenergieverbrauchs für eine Durchschnittswohnung kann der durchschnittliche Energieverbrauch des menschlichen Körpers nach ISO 8996 mittels nachfolgender Methoden bestimmt werden:
- Screening: nach Beruf oder nach Tätigkeitsart (grobe Ermittlung)
- Beobachtung: nach Gruppeneinstufungstabellen oder Tabellen für bestimmte Tätigkeiten
- Analyse: Herzfrequenzmessung unter definierten Bedingungen
- Expertise: Messung des Sauerstoffverbrauchs oder doppelt markiertes Wasserverfahren oder direkte Kalorimetrie (genaue Ermittlung)
Zu 2. Beobachtung:
Energieumsätze [W/m²] für bestimmte Tätigkeiten nach ISO 8996, Anhang B:
Die Tabellen im Anhang der ISO beziehen sich auf eine „Durchschnittsperson“:
- Mann: 30 Jahre, Gewicht 70 kg, Größe 1,75 m, Körperoberfläche 1,8 m2
- Frau: 30 Jahre, Gewicht 60 kg, Größe 1,70m, Körperoberfläche 1,6 m2
Beispielhafte Berechnung des körpereigenen Energieumsatzes anhand der körperlichen Tätigkeiten:
Nachfolgend wird der tägliche Energieumsatz für eine 30-jährige „Durchschnittsperson“ mit einer Körperoberfläche von 1,7 m2 berechnet.
Der körpereigene Energieumsatz wird in der Einheit „Watt“ angegeben (analog zu einer Glühbirne) – bezogen auf die mittlere Körperfläche in m2.
Im Schlaf liegt der Energieumsatz bei 40 W/m2, im Sitzen bei 55 W/m2 und im Laufen bei 165 W/m2.
Körpereigener Energieumsatz pro Tag:
1.420 Wh/m² x 1,7 m² = 2.414 Wh = 2,414 kWh
„Heizleistung“ Körperwärme pro Stunde:
2.414 Wh / 24h x 0,7 = 70 Watt
Ca. 60 bis 80 % der Nahrung wird zum Erhalt der Körpertemperatur in Wärme umgewandelt. Pro Person ergibt sich somit eine „Heizleistung“ von ca. 70 Watt. Bei 10 Personen sind das bereits 700 Watt „Dauerheizleistung.“
Eine Fußbodenheizung arbeitet mit 30 bis 35 Grad Vorlauftemperatur. Der Mensch erwärmt den Raum mit 37 Grad Körpertemperatur.
Thermisches Gleichgewicht:
Um eine konstante Raumtemperatur von 21 Grad oder eine konstante Körpertemperatur von 37 Grad zu erreichen müssen die Wärmegewinne (z.B. Verbrennen von Gas oder „Verbrennen“ von Nahrung) den Wärmeverlusten (z.B. Wärmeabgabe nach außen) entsprechen.
Thermisches Gleichgewicht: Wärmegewinne = Wärmeverluste
Durchschnittlicher Energieverbrauch für das thermische Gleichgewicht:
- Heizen (21 Grad Raumtemperatur): 70 kWh/Tag
- Wärmen (37 Grad Körpertemperatur): < 2,4 kWh/Tag
Der menschliche Körper hat keinerlei Nutzen von den 70 kWh/Tag, da für sein thermisches Gleichgewicht nur 2,4 kWh/Tag erforderlich sind.
Die Verschwendung liegt bei deutlich über 95 %.
Entsprechend des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik ist es auch nicht möglich überschüssige Wärmeenergie in Arbeit oder in einer andere, nicht thermische Energieform umzuwandeln, d.h. eine Umwandlung der überschüssigen Raumwärme in ein Marathonlauf funktioniert leider nicht. 😉
F) Die Dämmung von Bekleidung nach ISO 9920
Analog zur Bestimmung der Dämmwerte von Gebäuden kann der Dämmwert von Bekleidung nach ISO 9920 ermittelt werden.
Zur Reduzierung des Heizenergieverbrauchs sollte zunächst der Wärmestrom vom Körper (37 Grad) in den Raum (21 Grad) reduziert werden und erst in einem zweiten Schritt der Wärmestrom vom Raum (21 Grad) in die Umgebung (0 Grad). 1 Grad geringere Raumtemperatur spart in Wohn- und Bürogebäuden ca. 6 % Heizenergie.
Je höher der Isolationswert der Bekleidung, umso niedriger die erforderliche Raumtemperatur – bei gleicher Behaglichkeit.
Zur Vermeidung von Fehlinvestitionen und für eine professionelle und massentaugliche Umsetzung ist die Verwendung von normierten Kennzahlen/ Dämmwerten für die Bekleidung unerlässlich. „XXX-warm, „Ultra-warm“, „Mega-warm“ oder „Flammzeichen“ helfen nur in den seltensten Fällen.
Grundsätzlich existieren 2 Verfahren, um die Isolationswerte der Bekleidung zu ermitteln:
1. Isolation abschätzen:
Identische Bekleidungskombination finden (Anhang A) oder Kombination aus
Einzelkleidungsstücken zusammensetzen (Anhang B)
2. Isolation messen:
Direkt am Menschen (Anhang E) oder an einer Simulationspuppe (Anhang D). Genauste Methode.
Der Isolationswert der Bekleidung wird in „clo“ oder „Icl“ angegeben:
1 clo = 0,155 m2 x K / W
Zum Vergleich:
Der Wärmeduchgangswiderstand bei Gebäudedämmung wird ebenfalls in der Einheit m2 x K / W angegeben.
Wie sollte es auch anders sein? Es sind die gleichen thermischen Grundgesetze. 😉
Beispiele für Bekleidungskombinationen entsprechend Anhang A:
Beispiele für Einzelbekleidungsstücke entsprechend Anhang B:
Aus der Summe der einzelnen Isolationswerte kann dann der der Gesamtwert für den ganzen Körper ermittelt werden.
G) Messung der Körpertemperatur nach ISO 9886:
Analog zur Messung der Raumtemperatur (21 °C) kann die Körpertemperatur (37°C) mittels nachfolgender Messgeräte ermittelt werden.
Herkömmliche Messgeräte zur Bestimmung der Hauttemperatur
Die Körperkern- und Hauttemperaturen können nach ISO 9886 bestimmt werden, wobei direkte Messungen am Menschen nur nach den nachfolgenden Bedingungen durchgeführt werden dürfen:
- Freiwillige Zustimmung und Aufklärung zu den Risiken
- Kein Verstoß gegen ethische Grundsätze
Bei der Messung der Hauttemperatur sollte nach DIN EN ISO 9886, Kapitel 5 zwischen der lokalen und der mittleren Hauttemperatur unterschieden werden. Die Messung sollte mit Temperatursensoren erfolgen, die im Bereich von 25 °C bis 40 °C eine Messunsicherheit von ± 0,1 °C einhalten.
Die Messung kann berührungslos mit Hilfe eines Infrarotstrahlungsaufnehmers oder durch Kontaktmessung mit auf der Haut befestigten Temperatursensoren ermittelt werden. Eine berührungslose Messung erfordert eine unbekleidete Person.
Übersicht zu den Messverfahren und Messgeräten zur Bestimmung der Hauttemperatur.
Bei einer Berührungsmessung sind gemäß ISO 9886, Anhang B, Tabelle B.1 zur Bestimmung der mittleren Hauttemperatur 14 Messpunkte und eine entsprechende Anordnung der Messpunkte zu beachten.
Weitere Messgeräte zur Bestimmung der Hauttemperatur
- In das Kleidungsstück eigearbeitete Textilsensoren
- Ringe zur Messung der Handtemperatur
- Pflaster, die auf die Haut aufgeklebt werden
Alle übertragen ihre Messwerte an eine APP.
Die Behaglichkeit an allen Stellen des Körpers soll 3-fach nachgewiesen werden:
- Messung der Körpertemperatur
- Befragung der Personen
- nach ISO 7730
Ziel ist die gleiche Behaglichkeit bei 12, 16 oder 21 Grad Raumtemperatur
WsH wurde verstanden, wenn am Ende alle nur noch über die Körpertemperatur an allen Stellen des Körpers reden und nicht mehr über die Raumtemperatur. 😉
H) Behaglichkeit nach ISO 7730
Analog zu einer Wärmeschutzberechnung für ein Gebäude kann für den menschlichen Körper eine Behaglichkeitsberechnung erstellt werden.
Anhand der Berechnung kann man mit 99 %-iger Wahrscheinlichkeit vorhersagen, ob sich eine Person in einem Raum behaglich fühlen wird.
Hierbei unterscheidet die ISO 7730 zwischen der Behaglichkeit für den ganzen Körper und der lokalen Unbehaglichkeit einzelner Körperteile, z.B. Hände, Füße oder Kopf.
Eingangsparameter für den Nachweis des ganzen Körpers:
- Lufttemperatur [°C]
- Strahlungstemperatur [°C]
- Relative Luftfeuchtigkeit [%]
- Luftgeschwindigkeit [m/s]
- Bekleidungsisolation nach ISO 9920 [clo]
- Energieumsatz Körper nach ISO 8996 [W/m²]
Ergebnisse Behaglichkeitsnachweis nach ISO 7730:
Anhand o.g. Eingangsparameter ergeben sich nachfolgende Vorhersagen:
- Vorausgesagtes mittleres Votum (Predicted Mean Vote) PMV-Index
Der PMV-Index entspricht dem vorausgesagten mittlerem Votum einer großen Personengruppe zur Klimabeurteilung eines Raumes.
Hierbei wird die folgende Beurteilungsskala verwendet:
Ziel für den PMV-Index ist ein Durchschnittswert von +0,5 (neutral bis etwas warm) bis -0,5 (neutral bis etwas kühl)
Der PMV-Index beruht auf dem Wärmegleichgewicht des menschlichen Körpers. Das thermische Gleichgewicht ist erreicht, wenn die im Körper erzeugte Wärme gleich der an die Umgebung abgegebenen Wärme ist.
- Vorausgesagter Prozentsatz an Unzufriedenen (Predicted Percentage of Dissatisfied) PPD- Index:
Der PPD-Index entspricht dem vorausgesagten Prozentsatz an unzufriedenen Personen, die einen Raum als zu kalt oder zu warm empfinden.
Auf Grund individueller Unterschiede ist es unmöglich, ein Umgebungsklima festzulegen, das jedermann zufrieden stellt. Es wird immer einen Prozentsatz an Unzufriedenen geben, der sich in dem PPD-Index widerspiegelt.
Ziel für den PPD-Index ist ein Durchschnittswert kleiner 10 %, d.h. maximal 10 % Unzufriedene.
Möglichkeiten zur Bestimmung der Behaglichkeit:
Der PMV- und PPD-Index kann nach einer der folgenden Möglichkeiten bestimmt werden:
a) mit Hilfe einer Software anhand der Formeln der ISO 7730
b) direkt nach ISO 7730, Anhang E
c) durch direkte Messung mit einem Messfühler
zu a) Das Fraunhofer-Institut für Bauphysik stellt im Internet einen kostenfreien Leitfaden und ein Berechnungstool zur Verfügung, welches für nachfolgende Beispiele verwendet wurde.
Beispiele Behaglichkeitsberechnung:
A) Raumtemperatur 23,5 Grad:
Eingangsparameter:
- operative Temperatur: 23,5 °C (Heizung an)
- relative Luftfeuchtigkeit: 50 %
- Luftgeschwindigkeit: 0,1 m/s
- Bekleidungsisolation: 0,7 clo (sh. hier)
- Energieumsatz: 58 W/m² sitzen (sh. hier)
Ergebnisse:
- PMV-Index: -0,48 (neutral bis etwas kühl) > -0,5
- PPD-Index: 9,83 (~10 % Unzufriedene) < 10
Bei einer Raumtemperatur von 23,5°C und einer Bekleidungsisolation von 0,7 clo wird das Raumklima von 90 % der Personen als behaglich empfunden.
BNB Tool Thermischer Komfort
B) Raumtemperatur 16,5 Grad:
Bei einer Bekleidungsisolation von 1,79 clo kann die Raumtemperatur auf 16,5 °C reduziert werden. Das Raumklima wird von 90 % der Personen als behaglich empfunden.
In unserem freistehenden Einfamilienhaus (Bj. 1964) ist im Obergeschoss seit 15 Jahren die Heizung aus. Seit dieser Zeit interessiert mich nur noch die Körpertemperatur an allen Stellen des Körpers. Ein wesentlicher Schlüssel sind leichte, dehnbare, waschbare und nachhaltige Hightech Textilfasern (sh. Spiegel Online „Hält warm wie Eisbärenfell -Forschende entwickeln extrem isolierende Stofffaser“).
Der schwierigste Teil sind die Hände. Auch hier gibt es wissenschaftlich abgesicherte Lösungen, damit sich die Hände auch bei 16°C oder 12°C Raumtemperatur ohne Handschuhe behaglich anfühlen.
C) Raumtemperatur 12 Grad:
Bei einer Raumtemperatur von 12 °C (Heizung aus) und einer Bekleidungsisolation von 0,7 clo wird das Raumklima von 90 % der Personen als behaglich empfunden, wenn durch Smart Textiles zusätzliche Strahlungswärme an den Oberkörper abgegeben wird.
Anmerkung: Das BNB Tool Thermischer Komfort ist eigentlich nicht dafür ausgelegt Smart Textiles zu berücksichtigen. I.d.R. wird die Strahlungswärme durch die Sonne oder durch Infrarotheizkörper erzeugt.
In o.g. Berechnung wurde angenommen, dass die Smart Textiles die Strahlungswärme (39°C) erzeugen.
Besonders angenehm ist es, wenn die Smart Textiles auch den Hals aktiv erwärmen.
Die Energieversorgung erfolgt i.d.R. durch eine handelsübliche Powerbank.
Als Alternative zu Smart Textiles bieten sich passive Hightech Textilfasern an.
Ausgangspunkt für das Konzept Wärmen ist der menschliche Körper. Alle oben beschriebenen Lösungen bringen letztendlich die Wassermoleküle an allen Stellen des Körpers zum Schwingen, wodurch durch Reibung Körperwärme entsteht.
Anhand der ISO 7730 kann wissenschaftlich nachgewiesen werden, dass man sich auch bei 16°C oder 12°C behaglich fühlen kann.
Zusätzlich kann man die Personen zur Behaglichkeit an allen Stellen des Körpers befragen und die Körpertemperatur nach Norm messen (3-fach Nachweis der Behaglichkeit). Die Ergebnisse der Befragungen und Messungen werden bestätigen, dass die ISO 7730 richtig ist. Wie sollte es auch anders sein ?
In Japan werden bei ähnlichen Temperaturen wie in Deutschland Wohnhäuser ohne Dämmung und Heizungen gebaut. Auch hier gilt, entscheidend ist die Körpertemperatur, nicht die Raumtemperatur.
Hightech Textilien, Smart Textiles, Infrarot-Frequenzgeneratoren, der REON Pocket sind nur einige Lösungsbeispiele die Wärme näher am Körper zu erzeugen, um so bis zu 99 % Heizenergie einzusparen bei gleicher Behaglichkeit.
Gesucht sind kreative Lösungen, die Spaß machen. 🙂