Entwicklung eines Modellansatzes zur Bewertung der thermischen Behaglichkeit unter inhomogenen Klimabedingungen

Schmidt, Carolin; van Treeck, Christoph; Kriegel, Martin

doi:34850

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

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Carolin Schmidt

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (XXXII, 282 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
van Treeck, Christoph (Thesis advisor) ; Kriegel, Martin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-06-03

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-043313
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/658613/files/658613.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/658613/files/658613.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Energieeffizientes Bauen (312410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
thermische Behaglichkeit (frei) ; Kontaktwärmeübertragung (frei) ; Modellbildung (frei) ; Verifizierung (frei) ; Parametrisierung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

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.

The present thesis focuses on the topic of modeling thermal comfort in the context of energy-efficient individual climate control. There are already numerous studies by international research groups (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) that have pointed out the potential for energy savings resulting from a combined use of conventional convective interior air-conditioning and local heating- or cooling-systems. The advantage of such local devices is that the generated thermal energy is transmitted directly to the human body where it can act immediately on the body segments than it is the case wih conventional solutions. In contrast, currently used conventional air-conditioning systems are operating indirectly on the human being by controlling the total interior climatic conditions of for example a vehicle cabin or an office. As a consequence, the amount of energy that is necessary for the climatisation is much higher, because the total air volume has to be kept on a predefined temperature level. Apart from the energy savings, it is also interesting whether it is possible to reach a similar level of thermal comfort by the use of innovative climate control strategies. For this reason, there is a need for models that are able to predict temperature perception and thermal comfort under such inhomogeneous climate conditions. Most of the thermal comfort models – some of which are standardized (Fiala, 1998; Zhang; 2003; DIN EN ISO 7730, 2006; DIN EN ISO 14505-2, 2007; ASHRAE Standard 55, 2013) – are not suitable for applications like this. Reasons for this are that they are only valid for homogeneous environmental conditions close to thermal neutrality (Fanger, 1970), consider only the whole human body (Fanger, 1970; Fiala, 1998) or neglect the influences of contact heat (Fanger, 1970; DIN EN ISO 14505-2, 2007). The latter is of growing importance in the context of individual climate control. In consequence, a new modeling approach is introduced in this work, which predicts thermal comfort with special regard to asymmetric boundary conditions. The model itself is based on the calculation of global and local energy balances, which allows to assess the thermal status for the entire body as well as for individual body segments. In this regard, an additional term has been incorporated into the model balances to consider body segments, that are in contact with their surrounding structures. The corresponding equations are based on Fouriers law.The chosen structure serves as a starting point for future thermal comfort-based climate control solutions, which primarily draw on information about the local and overall body`s thermal state as energetic error signals and the body segments as statements of location. Along with twelve other known thermal comfort models, the newly created balance-comfort model has been implemented in the object-oriented programming language Modelica/Dymola. Each implemented model has been verified by the use of data originating from literature. Accordingly, the new thermal comfort model was tested, verified and validated for the first time by the use of experimental data from two successive studies (Schmidt et al., 2013; Schmidt et al., 2015a). Compared to the original thermal comfort models of Fanger (1970) and Zhang (2003), the new modelling approach provides significantly better thermal comfort predictions. That means, it shows higher correlations with subject votes and finally proves the general applicability of the new thermal comfort model itself. However, some discrepancies in the existing modelling approaches were identified and quantified within this thesis. For this reason, given suggestions for improvements should be part of follow-up work, which aims to optimize the general accuracy of local thermal comfort models.

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