Bestimmung von PMV und PPD und Spezifikation der Bedingungen für thermischen Komfort

Eine Methode zur Vorhersage des thermischen Empfindens und des Unbehagens (thermische Unzufriedenheit) von Personen, die gemäß ISO 7730 mäßigen thermischen Umgebungen ausgesetzt sind. Die PMV (Predicted Mean Vote) und PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) sind wichtige Indizes im Bereich des thermischen Komforts, insbesondere im Bereich der HLK-Planung (Heizung, Lüftung und Klimatisierung). Sie helfen dabei, den thermischen Komfort in Innenräumen auf Basis von Umwelt- und Personenvariablen zu quantifizieren.

PMV (Predicted Mean Vote)

PMV ist ein Index, der das durchschnittliche thermische Empfinden einer großen Gruppe von Menschen auf Grundlage der folgenden Faktoren vorhersagt:

1.  Lufttemperatur
2.  Relative Luftfeuchtigkeit
3.  Luftgeschwindigkeit
4.  Mittlere Strahlungstemperatur
5.  Kleidungsisolation (Clo)
6.  Metabolische Rate (Met)

Die PMV-Skala reicht von -3 bis +3:

• +3: Sehr heiß
• +2: Heiß
• +1: Warm
•   0: Neutral (optimaler Komfort)
• -1: Kühl
• -2: Kalt
• -3: Sehr kalt

PMV ist im Wesentlichen die durchschnittliche Bewertung des thermischen Empfindens einer Gruppe von Menschen, die derselben Umgebung ausgesetzt sind. Es wird davon ausgegangen, dass nicht alle Menschen das gleiche Komfortempfinden haben, daher stellt der Wert den Durchschnitt dar. Das Ziel der meisten HLK-Systeme ist es, einen PMV nahe 0 (neutral) zu halten, was bedeutet, dass sich die meisten Menschen wohl fühlen werden.

PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied)

PPD ist direkt mit PMV verbunden und schätzt den Prozentsatz der Menschen, die mit einer bestimmten thermischen Umgebung unzufrieden wären. Selbst in einer idealen Umgebung (PMV = 0) werden einige Personen das Gefühl haben, zu warm oder zu kalt zu sein. Der Zusammenhang zwischen PMV und PPD ist nicht linear.

Zum Beispiel:

• Bei PMV = 0 werden etwa 5 % der Personen Unbehagen empfinden (PPD = 5 %).
• Wenn sich PMV von 0 entfernt (entweder positiv oder negativ), steigt der PPD, was bedeutet, dass mehr Menschen Unbehagen empfinden.

Die folgenden sind typische PMV-Bereiche und entsprechende PPD-Werte:

• PMV = 0:    PPD ≅ 5 %
• PMV = ±0,5: PPD ≅ 10 %
• PMV = ±1,0: PPD ≅ 25 %
• PMV = ±2,0: PPD ≅ 75 %

Das folgende Diagramm zeigt die Beziehung zwischen PPD und PMV.

Anwendung im Innenraumdesign

In der Praxis werden sowohl PMV als auch PPD verwendet, um HLK-Systeme und thermische Umgebungen zu entwerfen und zu bewerten, mit dem Ziel, ein angenehmes Raumklima zu schaffen. ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers)-Standards, wie der ASHRAE Standard 55, beinhalten PMV und PPD als zentrale Metriken in ihren Modellen für thermischen Komfort. Das Ziel ist in der Regel, den PMV zwischen -0,5 und +0,5 zu halten, was einem PPD von weniger als 10 % entspricht, um sicherzustellen, dass die Mehrheit der Menschen sich wohl fühlt.

Einfluss von Umwelt- und Personenfaktoren

Das PMV-PPD-Modell berücksichtigt eine Reihe von Umwelt- und Personenfaktoren, die den thermischen Komfort beeinflussen:

• Kleidungsisolation (Clo): Misst die Isolation, die durch Kleidung bereitgestellt wird. Schwerere Kleidung erhöht den Clo-Wert, leichtere Kleidung senkt ihn.
• Metabolische Rate (Met): Stellt die vom menschlichen Körper erzeugte Wärme dar. Höhere Aktivitätsniveaus (wie z. B. beim Sport) führen zu höheren Met-Werten, während sitzende Tätigkeiten (wie Büroarbeit) niedrigere Met-Werte haben.

Beispiel aus der Praxis

In einem Büro, wo das Ziel darin besteht, den Komfort für die Mehrheit der Insassen zu gewährleisten, werden HLK-Systeme in der Regel so ausgelegt, dass die Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit und andere Umweltbedingungen den PMV um 0 halten, was zu einem PPD von 5-10 % führt. Dies minimiert die Anzahl der Personen, die sich zu heiß oder zu kalt fühlen.

Das Erreichen optimaler PMV- und PPD-Werte verbessert nicht nur die Zufriedenheit der Insassen, sondern steigert auch die Produktivität, reduziert Fehlzeiten und sorgt für einen energieeffizienten Betrieb von HLK-Systemen, indem Überkonditionierung vermieden wird.

Diese Indizes wurden in verschiedenen internationalen Normen wie der ISO 7730 und der ASHRAE 55 implementiert und sind damit unverzichtbare Werkzeuge für Architekten, Ingenieure und Facility Manager, um komfortable Innenräume zu schaffen.

Empfohlene Anforderungen an den thermischen Komfort

Empfohlene Anforderungen an den thermischen Komfort für Räume mit menschlicher Belegung. Es wird als akzeptabel angesehen, dass der PPD unter 10 % liegt. Dies entspricht den folgenden PMV-Kriterien:

-0,5 < PMV < +0,5

Leichte, überwiegend sitzende Tätigkeit während der Winterbedingungen (Heizperiode)

Die Bedingungen sind wie folgt:

1. Die operative Temperatur soll zwischen 20 °C und 24 °C liegen.
2. Der vertikale Lufttemperaturunterschied zwischen 0,1 m und 1,1 m über dem Boden (d. h. Knöchel- und Kopfhöhe) soll weniger als 3 °C betragen.
3. Die Oberflächentemperatur des Bodens soll normalerweise zwischen 19 °C und 26 °C liegen, aber Fußbodenheizungssysteme können für 29 °C ausgelegt werden.
4. Die mittlere Luftgeschwindigkeit soll unter dem im folgenden Bild angegebenen Wert liegen.
5. Die Strahlungsasymmetrie von Fenstern oder anderen kalten vertikalen Flächen soll weniger als 10 °C betragen (bezogen auf eine kleine vertikale Ebene 0,6 m über dem Boden).
6. Die Strahlungsasymmetrie einer warmen Decke soll weniger als 5 °C betragen (bezogen auf eine kleine horizontale Ebene 0,6 m über dem Boden).
7. Die relative Luftfeuchtigkeit soll zwischen 30 % und 70 % liegen.

Leichte, überwiegend sitzende Tätigkeit während der Sommerbedingungen (Kühlperiode)

Die Bedingungen sind wie folgt:

1. Die operative Temperatur soll zwischen 23 °C und 26 °C liegen.
2. Der vertikale Lufttemperaturunterschied zwischen 0,1 m und 1,1 m über dem Boden (d. h. Knöchel- und Kopfhöhe) soll weniger als 3 °C betragen.
3. Die mittlere Luftgeschwindigkeit soll unter dem im folgenden Bild angegebenen Wert liegen.
4. Die relative Luftfeuchtigkeit soll zwischen 30 % und 70 % liegen.

Typische Werte für Met und Clo

Nachfolgend sind zwei Tabellen mit typischen Met- (metabolische Rate) und Clo-Werten (Kleidungsisolation) aufgeführt, die häufig in Bewertungen des thermischen Komforts verwendet werden:

Tätigkeit	Metabolische Rate (Met)
Ruhe (sitzend, ruhig)	0,8
Lesen oder Schreiben	1,0
Sitzend, leichte Büroarbeit	1,2
Stehend, leichte Aktivität	1,4
Stehend, mittlere Aktivität	1,8
Gehen (3 km/h)	2,0
Hausarbeit	2,5
Gehen (5 km/h)	2,8
Schwere Arbeit (Heben, etc.)	3,5
Laufen (8 km/h)	8,0

Kleidungsart	Kleidungsisolation (Clo)
Nackt	0,0
Sommer, leichte Kleidung	0,5
Typische Innenkleidung	0,6
Langarmshirt, Hose	0,7
Leichter Businessanzug	0,9
Businessanzug mit Pullover	1,0
Winterkleidung	1,3
Winterkleidung mit Mantel	1,5
Schwerer Wintermantel, Thermokleidung	2,0

Hinweise:

• Met-Werte steigen mit der Aktivität. Zum Beispiel hat sitzende Ruhe einen Met-Wert von etwa 1,0, während Gehen oder moderate körperliche Aktivität etwa 2,0 beträgt.
• Clo-Werte stellen die durch Kleidung bereitgestellte Isolation dar. Ein Wert von 0 entspricht Nacktsein, während typische Innenkleidung zwischen 0,5 und 1,0 Clo liegt. Schwere Winterkleidung kann bis zu 1,5-2,0 Clo betragen.

PMV- und PPD-Rechner

Eingabe

Bekleidung:

[ clo ]

Stoffwechselrate M:

[ met ]

Externe Arbeit W:

[ met ]

Lufttemperatur t_a:

[ °C ]

Mittlere Strahlungstemperatur t_r:

[ °C ]

Luftgeschwindigkeit v_a:

[ m/s ]

Relative Luftfeuchtigkeit RH:

[ % ]

Ausgabe

PMV:

PPD:

[ % ]

Berechnen