Raumklima und Komfortanalyse durch Simulation

Thermischer Komfort laesst sich durch dynamische Gebaeudesimulation objektiv bewerten: Die Simulation berechnet fuer jeden Raum stuendliche operative Temperaturen, PMV/PPD-Werte nach ISO 7730 und die Einhaltung der Komfortkategorien I—IV nach DIN EN 16798-1. Damit lassen sich Ueberhitzung im Sommer, Zugluftrisiken im Winter und die Wirksamkeit von Gegenmassnahmen (Sonnenschutz, Nachtlueftung, Temperaturabsenkung) bereits in der Planungsphase quantitativ bewerten — statt Komfortprobleme erst nach Fertigstellung festzustellen.

Was ist thermischer Komfort?

Definition und Einflussfaktoren

Thermischer Komfort ist nach ISO 7730 definiert als der Zustand, in dem eine Person Zufriedenheit mit der thermischen Umgebung ausdrückt. Dieser Zustand hängt von sechs Faktoren ab, von denen vier die Umgebung betreffen und zwei die Person:

Umgebungsfaktoren:

• Lufttemperatur $\theta_a$: Die Temperatur der Raumluft, gemessen an der Aufenthaltsposition.
• Mittlere Strahlungstemperatur $\bar{\theta}_r$: Die gewichtete mittlere Temperatur aller umgebenden Oberflächen. Kalte Fensterflächen im Winter oder sonnenbeschienene Wände im Sommer beeinflussen $\bar{\theta}_r$ erheblich.
• Luftgeschwindigkeit $v_a$: Luftbewegung erhöht den konvektiven Wärmeübergang am Körper und kann als Zugluft empfunden werden.
• Relative Luftfeuchtigkeit $\varphi$: Beeinflusst die Verdunstungskühlung der Haut. Im Bereich von 30 bis 60 % hat die Feuchte einen geringen Einfluss auf den Komfort; bei sehr hoher Feuchte (> 70 %) wird die Wärmeabgabe spürbar behindert.

Personenbezogene Faktoren:

• Metabolische Rate $M$: Die Wärmeproduktion des Körpers, abhängig von der Aktivität. Sitzende Bürotätigkeit entspricht ca. 1,2 met (70 W/m²), leichte Industriearbeit ca. 2,0 met.
• Bekleidungsisolation $I_{cl}$: Der Wärmedurchlasswiderstand der Kleidung. Sommerliche Bürokleidung entspricht ca. 0,5 clo, winterliche Kleidung ca. 1,0 clo.

Operative Temperatur

Für die Praxis wird häufig die operative Temperatur $\theta_{op}$ als zentrale Komfortgröße verwendet. Sie fasst Lufttemperatur und Strahlungstemperatur zu einem Kennwert zusammen:

Bei geringer Luftgeschwindigkeit (< 0,2 m/s) vereinfacht sich dies näherungsweise zu:

Die operative Temperatur ist die Größe, die in den meisten Komfortstandards als Bewertungskriterium dient. Sie wird auch im Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes nach DIN 4108-2 verwendet.

Das PMV/PPD-Modell nach Fanger

PMV — Predicted Mean Vote

Das von P.O. Fanger entwickelte PMV-Modell (Predicted Mean Vote) berechnet die erwartete mittlere thermische Bewertung einer Personengruppe auf einer Skala von -3 (kalt) bis +3 (heiß), wobei 0 den thermisch neutralen Zustand darstellt. Der PMV-Wert basiert auf der Energiebilanz des menschlichen Körpers:

Dabei ist $M$ die metabolische Rate und $L$ die thermische Last des Körpers — die Differenz zwischen interner Wärmeerzeugung und Wärmeabgabe an die Umgebung. Die thermische Last $L$ hängt von allen sechs Komfortfaktoren ab und wird über komplexe Wärmeübergangsgleichungen berechnet.

PPD — Predicted Percentage of Dissatisfied

Aus dem PMV-Wert wird der PPD-Wert (Predicted Percentage of Dissatisfied) berechnet, der den erwarteten Prozentsatz unzufriedener Personen angibt:

Selbst bei einem PMV von 0 (thermisch neutral) beträgt der PPD 5 % — es gibt immer einen Anteil von Personen, die unzufrieden sind. Für den Komfortbereich (PMV zwischen -0,5 und +0,5) liegt der PPD unter 10 %.

Komfortkategorien nach DIN EN 15251

Die DIN EN 15251 (ersetzt durch DIN EN 16798-1, inhaltlich weitgehend identisch) definiert vier Komfortkategorien, die unterschiedliche Anforderungsniveaus an das Raumklima stellen:

Für die meisten Neubauten wird Kategorie II angestrebt. Die Simulation berechnet, wie viele Stunden pro Jahr das Gebäude in welcher Kategorie liegt, und identifiziert Zeiträume, in denen der Komfort nicht eingehalten wird.

Wie die Simulation Raumklima vorhersagt

Berechnung stündlicher Raumtemperaturen

Die dynamische Gebäudesimulation berechnet für jede thermische Zone die Luft- und die operative Temperatur in jedem Zeitschritt. Die Lufttemperatur ergibt sich aus der Zonenenergiebilanz unter Berücksichtigung von Transmission, Lüftung, solaren Gewinnen, internen Lasten und Anlagenleistung. Die mittlere Strahlungstemperatur wird aus den Oberflächentemperaturen der umgebenden Bauteile berechnet.

Typische Simulationsergebnisse für ein nach Süden orientiertes Büro zeigen beispielsweise:

• Winter: Die operative Temperatur liegt bei laufender Heizung zwischen 20 und 22 °C. Bei großen Fensterflächen kann die Strahlungstemperatur in Fensternähe um 2 bis 3 K unter der Lufttemperatur liegen, was lokal als unbehaglich empfunden wird.
• Übergangszeit: An sonnigen Frühlingstagen können die solaren Gewinne die Raumtemperatur auf 25 bis 27 °C treiben, obwohl die Heizung ausgeschaltet ist. Ohne Sonnenschutz droht Überhitzung.
• Sommer: Ohne aktive Kühlung kann die operative Temperatur bei Hitzewellen auf 30 °C und mehr steigen. Die Simulation zeigt, wie lange und wie häufig kritische Temperaturen überschritten werden.

Bewertung des Komforts

Aus den stündlichen Temperaturwerten berechnet die Simulation die Übertemperaturgradstunden (für den Nachweis nach DIN 4108-2), die Stunden in jeder Komfortkategorie (für die Bewertung nach DIN EN 16798-1) und optional den PMV/PPD-Wert für jeden Zeitschritt.

Praktische Anwendungen

Bürogebäude

In Bürogebäuden ist der thermische Komfort direkt mit der Produktivität der Mitarbeiter verknüpft. Die Simulation bewertet, ob eine passive Kühlung (Nachtlüftung, Sonnenschutz) ausreicht oder ob eine aktive Kühlung (Kühldecke, Umluftkühlgeräte) erforderlich ist. Die Ergebnisse beeinflussen auch die Auslegung der Heizkurven. Typische Fragestellungen: Reicht ein außenliegender Sonnenschutz, um die Raumtemperatur unter 26 °C zu halten? Wie wirkt sich eine Bauteilaktivierung (thermoaktive Decke) auf die Temperaturspitzen aus?

Schulen und Bildungseinrichtungen

Klassenräume stellen besondere Anforderungen: Hohe Belegungsdichten (bis zu 2 m² pro Person) erzeugen erhebliche interne Lasten. Gleichzeitig ist die Lüftung aus hygienischen Gründen (CO₂-Konzentration) und aus Komfortgründen essenziell. Die Simulation zeigt, wie sich verschiedene Lüftungskonzepte (Fensterlüftung, mechanische Lüftung) auf Temperatur und Luftqualität auswirken.

Wohngebäude

In Wohngebäuden steht der sommerliche Wärmeschutz im Vordergrund, insbesondere bei Dachgeschosswohnungen und Gebäuden mit großen Fensterflächen. Die Simulation bewertet die Wirksamkeit von Verschattungsmaßnahmen, Nachtlüftung und Speichermasse. Auch der winterliche Komfort — insbesondere die Strahlungsasymmetrie in Fensternähe — kann analysiert werden.

Sondernutzungen

Museen (konstante Temperatur und Feuchte für Exponate), Serverräume (Kühllast), Schwimmhallen (hohe Feuchte) und Krankenhäuser (spezielle Komfortanforderungen) erfordern eine differenzierte Komfortanalyse, die weit über die Standardbewertung hinausgeht.

Zusammenhang mit der Anlagendimensionierung

Die Komfortanalyse und die Anlagendimensionierung sind eng verknüpft. Die Simulation zeigt nicht nur, ob der Komfort eingehalten wird, sondern auch, welche Heiz- oder Kühlleistung dafür erforderlich ist. Die Spitzenleistung bestimmt die Dimensionierung der Anlage, die Jahresenergie bestimmt die Betriebskosten.

Ein häufiger Befund in der Praxis: Die Heizlast nach DIN EN 12831 (stationäres Verfahren) überschätzt die tatsächlich benötigte Leistung, da sie solare Gewinne und interne Lasten nicht berücksichtigt. Die dynamische Simulation kann zeigen, dass ein kleiner dimensioniertes System ausreicht — vorausgesetzt, das Gebäude verfügt über ausreichende Speichermasse und die Aufheizreserve ist angemessen.

Umgekehrt wird die Kühllast häufig unterschätzt, wenn nur stationäre Verfahren verwendet werden. Die dynamische Simulation zeigt, welche Kühllastspitzen bei einer Kombination aus hoher Außentemperatur, maximaler Sonneneinstrahlung und voller Belegung tatsächlich auftreten.

Lokaler Komfort und Zugluftrisiko

Neben dem allgemeinen Raumklima kann die Simulation auch lokale Komfortprobleme identifizieren. Kalte Fensterflächen erzeugen Kaltluftabfall, der als Zugluft am Boden empfunden wird. Der Zugluftindex (Draught Rating DR) nach ISO 7730 bewertet das Risiko:

mit der lokalen Lufttemperatur $\theta_a$, der Luftgeschwindigkeit $v_a$ (in m/s) und der Turbulenzintensität $Tu$ (in %). Ein DR unter 15 % gilt als komfortabel.

Fazit

Die Raumklima Simulation und Komfortanalyse verbindet bauphysikalische Berechnung mit der menschlichen Wahrnehmung von Behaglichkeit. Sie beantwortet die entscheidende Frage der Gebäudeplanung: Werden sich die Nutzer in diesem Gebäude wohlfühlen? Die operative Temperatur, das PMV/PPD-Modell und die Komfortkategorien nach DIN EN 16798-1 liefern objektive Bewertungskriterien. Die dynamische Simulation berechnet diese Größen für jede Stunde des Jahres und identifiziert kritische Zeiträume und Räume. Die Ergebnisse fließen direkt in die Anlagendimensionierung ein und ermöglichen eine Planung, die sowohl Energieeffizienz als auch Nutzerzufriedenheit optimiert. VICUS Buildings berechnet diese Komfortkenngrößen für jede Zone und jeden Zeitschritt und ermöglicht so eine differenzierte Bewertung bereits in der Entwurfsphase. In einer Zeit steigender sommerlicher Temperaturen und wachsender Komfortansprüche wird die Komfortanalyse durch Simulation zu einem unverzichtbaren Bestandteil der Gebäudeplanung.

Weiterführende Artikel: Dynamische Gebäudesimulation erläutert die physikalischen Grundlagen und Eingabedaten der zeitaufgelösten Simulation, Sommerlicher Wärmeschutz beschreibt den Nachweis nach DIN 4108-2 mit Übertemperaturgradstunden, und Stationäre vs. dynamische Berechnung vergleicht die Genauigkeit beider Verfahren bei der Komfortbewertung.

Quellen und Normen

• DIN EN 16798-1 — Energetische Bewertung von Gebäuden — Lüftung von Gebäuden — Teil 1: Eingangsparameter für Raumklima
• ISO 7730 — Ergonomics of the thermal environment — Analytical determination of thermal comfort using PMV and PPD indices
• ASHRAE Standard 55 — Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy