Thermische Behaglichkeit erklärt: thermische Neutralität, ASHRAE 55 und warum Strahlung zählt

Kennen Sie das? Das Thermostat zeigt 21 °C, und trotzdem fröstelt es Sie. Oder Sie treten im Winter in die Sonne und es wird Ihnen warm, obwohl die Luft eiskalt ist. Beides hat denselben Grund: Behaglichkeit ist keine Temperatur. Sie ist ein Gleichgewicht zwischen der Wärme, die Ihr Körper erzeugt, und der Wärme, die er abgibt, und die Luft ist nur ein Teil davon.

Wenn Ihr Körper dieses Gleichgewicht erreicht, ohne sich dafür anstrengen zu müssen, fühlen Sie sich wohl. Der Fachbegriff dafür ist thermische Neutralität. Dieser Artikel erklärt, was das bedeutet, wie der internationale Behaglichkeitsstandard ASHRAE 55 (in Europa entsprechend ISO 7730) sie misst, und warum die Temperatur der Flächen um Sie herum genauso zählt wie die der Luft.

Was ist thermische Behaglichkeit?

Thermische Behaglichkeit ist das Gefühl, mit der Temperatur um Sie herum zufrieden zu sein: nicht zu warm, nicht zu kalt, und ohne störende Zugluft oder kalte Flächen. Die Normen beschreiben sie als den Gefühlszustand, in dem man mit dem thermischen Umfeld zufrieden ist. Sie hängt von sechs Dingen ab: der Lufttemperatur, der Temperatur der Flächen um Sie herum, Luftbewegung und Luftfeuchte im Raum sowie Ihrer eigenen Aktivität und Kleidung. Deshalb passt derselbe Raum dem einen und dem anderen nicht.

Was ist thermische Neutralität?

Wir sind gleichwarm. Ihr Körper hält seinen Kern bei rund 37 °C und die Haut bei etwa 31 bis 34 °C, egal wie das Wetter ist. Dafür gleicht er ständig die Wärme, die Sie erzeugen, mit der Wärme ab, die Sie verlieren.

Ist es zu kalt, versucht der Körper, Wärme zu halten: Die Blutgefäße unter der Haut ziehen sich zusammen, irgendwann fangen Sie an zu zittern. Ist es zu warm, will er Wärme loswerden: mehr Blut an die Haut, dann Schweiß. Thermische Neutralität ist der Zustand dazwischen, in dem der Körper weder das eine noch das andere tun muss. Sie bemerken die Temperatur gar nicht. Genau das ist Behaglichkeit.

ASHRAE 55 beschreibt es ganz menschlich: Thermische Behaglichkeit ist ein Gefühl, nämlich mit der Umgebung zufrieden zu sein. Das ist etwas Persönliches, und deshalb sind sich zwei Menschen im selben Raum so oft uneinig, wo das Thermostat stehen soll.

Wie Ihr Körper Wärme abgibt

In Ruhe und in Innenräumen verlässt Wärme Ihren Körper auf vier Wegen, und einer davon erledigt den Großteil:

• Strahlung, etwa 60 %. Ihr Körper strahlt Wärme an jede Fläche ab, die kühler ist als Ihre Haut: Wände, Fenster, Boden und Decke. Berühren müssen Sie sie dafür nicht. Deshalb spüren Sie ein kaltes Fenster quer durch den Raum.
• Verdunstung, etwa 22 %. Feuchtigkeit, die über Atem und Haut entweicht, auch wenn Sie gar nicht schwitzen.
• Konvektion, etwa 15 %. Luft, die über die Haut streicht und Wärme mitnimmt.
• Wärmeleitung, etwa 3 %. Direkter Kontakt, etwa barfuß auf kalten Fliesen.

Das sind typische Werte für einen ruhenden Menschen drinnen in normaler Kleidung, und sie verschieben sich mit Aktivität, Luftbewegung und Feuchte. An der Reihenfolge ändert sich aber wenig: Strahlung ist drinnen der größte Weg, über den Sie Wärme verlieren. Die Temperatur der Flächen um Sie herum hat deshalb enormen Einfluss darauf, wie warm Sie sich fühlen, oft mehr als die Luft.

Und genau da stoßen die meisten Heizungen an ihre Grenzen. Heizkörper, Heizlüfter und Warmluftsysteme arbeiten vor allem, indem sie die Luft erwärmen. Die Luft wird warm, Wände und Fenster können aber kühl bleiben, und Ihr Körper strahlt weiter Wärme an sie ab. Das spüren Sie als Frösteln, das Sie sich nicht recht erklären können, und die übliche Reaktion ist, das Thermostat höher zu drehen.

Die sechs Faktoren der thermischen Behaglichkeit

Nach ASHRAE 55 entscheiden sechs Dinge darüber, ob Sie sich wohlfühlen. Vier betreffen den Raum, zwei betreffen Sie selbst.

Lufttemperatur. Das, was das Thermostat misst. Sie zählt, ist aber nur einer von sechs Faktoren.

Strahlungstemperatur. Die durchschnittliche Temperatur aller Flächen um Sie herum, korrekt mittlere Strahlungstemperatur genannt. Weil Strahlung Ihr größter Wärmeverlust ist, hat sie viel Gewicht. Kalte Wände lassen einen warmen Raum kühl wirken; warme Wände machen einen kühleren Raum behaglich.

Luftgeschwindigkeit. Bewegte Luft nimmt Wärme schneller mit, im Sommer herrlich, im Winter unangenehm. Zugluft gehört zu den häufigsten Beschwerden überhaupt. Mehr dazu in Luftgeschwindigkeit in Gebäuden und Windchill.

Luftfeuchte. Sehr feuchte Luft erschwert die Wärmeabgabe über Verdunstung, sehr trockene Luft trocknet Augen, Nase und Haut aus. Die meisten fühlen sich bei etwa 40 bis 60 % relativer Luftfeuchte wohl. Mehr dazu in Strahlungswärme und Luftfeuchtigkeit.

Aktivität, also Stoffwechselrate. Je mehr Sie sich bewegen, desto mehr Wärme erzeugen Sie. Gemessen wird das in met; ruhiges Sitzen entspricht etwa 1 met. Mehr dazu in Warum manche Menschen schneller frieren.

Kleidung. Gemessen in clo. Typische Winterkleidung drinnen hat etwa 1 clo, leichte Sommerkleidung etwa 0,5. Mehr dazu in Kleidung und der Streit ums Thermostat.

Keiner dieser Faktoren wirkt allein. Ändert sich einer, verschieben sich die anderen, bis sich ein neues Gleichgewicht einstellt. Deshalb gibt es keine einzig „richtige“ Raumtemperatur, nur eine behagliche Kombination.

Die Behaglichkeitsskala nach ASHRAE 55: PMV und PPD

Wie misst man etwas so Persönliches wie Behaglichkeit? In den 1970er-Jahren befragte der dänische Forscher Ole Fanger Tausende Menschen unter genau kontrollierten Bedingungen, wie sie sich fühlen, und machte daraus ein Modell, das ASHRAE 55 und die europäische Norm ISO 7730 bis heute verwenden.

Bewertet wird auf einer siebenstufigen Skala, von −3 (kalt) über 0 (neutral) bis +3 (heiß). Fangers Modell nimmt die sechs Faktoren und sagt zwei Dinge voraus:

• PMV, das Predicted Mean Vote: wo auf der Skala sich der durchschnittliche Mensch einordnen würde.
• PPD, das Predicted Percentage Dissatisfied: wie viele Menschen trotzdem unzufrieden wären.

Zwei Dinge an dieser Kurve sind gut zu wissen:

• Allen recht machen geht nicht. Selbst bei perfekt neutralen Bedingungen sagt das Modell voraus, dass etwa 5 % unzufrieden sind. Irgendwem ist immer ein bisschen zu warm oder zu kalt.
• Der Behaglichkeitsbereich ist schmal. ASHRAE 55 gilt ein Zustand als behaglich, wenn der PMV zwischen −0,5 und +0,5 liegt; dann bleiben unter etwa 10 % unzufrieden. Einen Punkt neben neutral ist es schon rund ein Viertel.

Weil ein ganzes Gebäude nie allen gleichzeitig passt, ist es am zuverlässigsten, jeden Raum, und im besten Fall jeden Menschen, seine Bedingungen selbst einstellen zu lassen.

Der Behaglichkeitsbereich nach ASHRAE 55

ASHRAE 55 macht aus diesem Band einen Behaglichkeitsbereich: die Spanne operativer Temperaturen (die Mischung aus Luft- und Flächentemperatur, die Sie tatsächlich spüren, mehr dazu unten), die die meisten Menschen bei einer bestimmten Aktivität und Kleidung als behaglich empfinden. Für ruhig sitzende Menschen bei normaler Luftfeuchte ergibt sich grob:

• In Winterkleidung, etwa 1 clo: grob 20 bis 24 °C.
• In Sommerkleidung, etwa 0,5 clo: grob 23 bis 27 °C.

Die Norm berechnet den Bereich im Einzelfall, verstehen Sie die Werte also als grobe Spannen. Und es sind operative Temperaturen, nicht das, was das Thermostat anzeigt. Ein Raum mit warmen Wänden und warmer Decke liegt auch mit kühlerer Luft gut im Bereich.

Welche Raumtemperatur ist ideal?

Eine einzige gibt es nicht, aber gute Richtwerte. Das Umweltbundesamt empfiehlt im Winter etwa 20 °C für Wohnräume und etwa 17 bis 18 °C für Schlafzimmer. Die Weltgesundheitsorganisation empfiehlt in der kalten Jahreszeit mindestens 18 °C in Innenräumen, um die Gesundheit zu schützen. Alles Weitere hängt von den sechs Faktoren ab, und vom Menschen.

ASHRAE 55, DIN EN ISO 7730, DIN EN 16798-1 und CIBSE

ASHRAE 55 ist amerikanisch, wird aber weltweit verwendet. In Europa steckt dasselbe Fanger-Modell in der DIN EN ISO 7730, und die DIN EN 16798-1 legt damit die Auslegungstemperaturen für Gebäude fest, eingeteilt in Behaglichkeitskategorien. In Großbritannien arbeiten Planer zusätzlich mit dem CIBSE Guide A. Im Detail unterscheiden sie sich, aber in den sechs Faktoren sind sie sich einig, und darin, dass die Flächen um Sie herum genauso zählen wie die Luft.

Lokale Unbehaglichkeit und Strahlungsasymmetrie

Man kann sich insgesamt wohlfühlen und trotzdem gestört sein, weil sich ein Teil des Körpers anders anfühlt als der Rest. Der Standard nennt das lokale Unbehaglichkeit. Die Klassiker sind Zugluft im Nacken, kalte Füße auf kaltem Boden, ein großer Temperaturunterschied zwischen Kopf und Knöcheln und ein starker Strahlungsunterschied, etwa neben einem kalten Fenster. Für Böden nennt ASHRAE 55 eine Oberflächentemperatur von etwa 19 bis 29 °C für Menschen mit Schuhen.

Für die Heizung am wichtigsten ist die Strahlungsasymmetrie: der Unterschied der Strahlungstemperatur zwischen einer Seite von Ihnen und der anderen, oder zwischen oben und unten. Auf manche Arten reagieren Menschen viel empfindlicher als auf andere. Das sind die größten Unterschiede, die ASHRAE 55 zulässt, damit weniger als 5 % unzufrieden sind:

Zwei Dinge fallen auf. Eine warme Wand ist die nachsichtigste Fläche überhaupt: Selbst einen großen Unterschied bemerken Menschen kaum. Eine warme Decke ist die empfindlichste: Zu viel Wärme von oben fühlt sich an wie ein heißer Kopf. Eine Deckenheizung muss deshalb über Größe, Höhe und Temperatur zusammen ausgelegt werden und mäßige Wärme über eine große Fläche verteilen, statt viel Wärme an einer Stelle abzugeben. Wie wir zu unserer Deckentemperatur kommen, erklärt Warum 55 °C an der Decke?

Auch die kühle Wand zählt. Ein großes Fenster an einem kalten Tag ist zu Hause die häufigste Ursache für Strahlungsasymmetrie, und deshalb fröstelt man neben Glas in einem sonst warmen Raum. Warme Wände um Sie herum wirken dem direkt entgegen.

Operative Temperatur: warum warme Flächen zählen

Hier kommt alles zusammen. Weil Sie Wärme sowohl an die Luft als auch an die Flächen um Sie herum abgeben, spüren Sie eigentlich eine Mischung aus beidem. Diese Mischung heißt operative Temperatur (oft auch empfundene Temperatur). Bei normaler Luftbewegung in Innenräumen ist sie einfach der Mittelwert aus Lufttemperatur und mittlerer Strahlungstemperatur:

operative Temperatur ≈ (Lufttemperatur + mittlere Strahlungstemperatur) ÷ 2

Dieselbe Behaglichkeit erreichen Sie also auf zwei Wegen: indem Sie die Luft kräftig heizen, oder indem Sie die Flächen erwärmen.

Im ersten Raum hat die Luft angenehme 22 °C, Wände und Fenster liegen aber im Schnitt bei 16 °C. Gefühlt sind das etwa 19 °C, und es wirkt kühl. Im zweiten Raum hat die Luft nur 19 °C, doch eine beheizte Wand und Decke bringen die Flächen auf etwa 23 °C. Gefühlt sind das etwa 21 °C, und es ist behaglich. Gleicher oder besserer Komfort bei drei Grad kühlerer Luft.

Deshalb stellen die meisten Menschen mit Strahlungsheizung das Thermostat zwei bis drei Grad niedriger und fühlen sich genauso wohl. Und weil jedes Grad weniger rund 6 % Heizenergie spart, sind das grob 12 bis 18 % weniger Energie bei gleichem Komfort. Die Kosten rechnen wir in Lohnt sich eine Infrarotheizung? durch.

Wie Strahlungsheizung das nutzt

Eine Infrarotheizung in Wand, Decke oder Boden hebt die mittlere Strahlungstemperatur direkt an. Statt die Luft zu heizen und zu hoffen, dass sie die Flächen mit erwärmt, wärmt sie die Flächen, und die Flächen wärmen Sie, so wie die Sonne an einem kalten, klaren Tag.

Unser kurzer Film zeigt, wie das in einem Raum funktioniert:

Aus der Behaglichkeitsforschung folgt einiges:

• Warme Flächen, kühlere Luft. Sie bekommen denselben oder besseren Komfort bei niedrigerer Lufttemperatur, und daher kommt die Energieersparnis.
• Weniger Luftbewegung. Strahlungswärme ist nicht auf zirkulierende Warmluft angewiesen: weniger Zugluft, weniger aufgewirbelter Staub, und die Luft am Kopf ist kaum wärmer als an den Füßen.
• Wand und Decke strahlen am meisten. Ein beheizter Boden gibt etwa 20 bis 30 % seiner Leistung als Strahlung ab, eine beheizte Wand 40 bis 60 % und eine Decke je nach Produkt 50 bis 80 %. Wand und Decke sind außerdem schneller warm. Warum eine Decke bei etwa 55 °C arbeitet, erklären wir in Warum 55 °C Deckenoberflächentemperatur.
• Raum für Raum. Weil jeder Raum sein eigenes Thermostat hat, kommen die, die es wärmer mögen, und die, die es kühler mögen, beide auf ihre Kosten. Näher an die 5 % Minimum kommt ein Zuhause kaum.

Die Physik dahinter finden Sie in Wie funktioniert eine Infrarotheizung?, und wie wir sie einsetzen, in Warum Infrarot. Die Systeme selbst finden Sie auf unseren Seiten zu Wand- und Deckenheizung, Deckenpaneelen und Fußbodenheizung.

Thermische Behaglichkeit: Ihre Fragen

Was ist thermische Behaglichkeit?

Thermische Behaglichkeit ist das Gefühl, mit der Temperatur um Sie herum zufrieden zu sein: nicht zu warm, nicht zu kalt und ohne störende Zugluft oder kalte Flächen. Sie hängt von sechs Faktoren ab: Lufttemperatur, Temperatur der umgebenden Flächen, Luftbewegung, Luftfeuchte, Aktivität und Kleidung. Deshalb passt derselbe Raum nicht jedem.

Was ist thermische Neutralität?

Thermische Neutralität ist der Zustand, in dem Ihr Körper genauso viel Wärme abgibt, wie er erzeugt, ohne zittern, schwitzen oder die Durchblutung der Haut anpassen zu müssen. Sie bemerken die Temperatur gar nicht. Das ist es, was wir als behaglich empfinden.

Was ist ASHRAE 55?

ASHRAE 55 ist der internationale Standard für thermische Behaglichkeit in Gebäuden, herausgegeben von der American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. Er legt die sechs Faktoren der Behaglichkeit fest, nutzt das PMV- und PPD-Modell, um vorherzusagen, wie Menschen sich fühlen, und definiert Bedingungen, die die meisten als behaglich empfinden. Das europäische Gegenstück ist die ISO 7730.

Welche sechs Faktoren bestimmen die thermische Behaglichkeit?

Lufttemperatur, mittlere Strahlungstemperatur, Luftgeschwindigkeit und Luftfeuchte beschreiben den Raum. Aktivität, also die Stoffwechselrate, und Kleidung beschreiben den Menschen. Behaglichkeit entsteht aus der Kombination, deshalb gibt es keine einzig richtige Raumtemperatur.

Was bedeuten PMV und PPD?

Der PMV, das Predicted Mean Vote, sagt voraus, wo der durchschnittliche Mensch bestimmte Bedingungen auf einer siebenstufigen Skala von minus 3, kalt, bis plus 3, heiß, einordnen würde. Der PPD, das Predicted Percentage Dissatisfied, sagt voraus, wie viele Menschen trotzdem unzufrieden wären. Selbst bei einem PMV von 0 sind etwa 5 % unzufrieden; ASHRAE 55 gilt ein PMV zwischen minus 0,5 und plus 0,5, also unter etwa 10 % Unzufriedenen, als behaglich.

Was ist die operative Temperatur?

Die operative Temperatur ist die Temperatur, die Sie tatsächlich spüren. Sie verbindet die Lufttemperatur mit der Temperatur der Flächen um Sie herum und ist bei normaler Luftbewegung in Innenräumen ungefähr der Mittelwert aus Lufttemperatur und mittlerer Strahlungstemperatur. Warme Luft mit kalten Wänden kann sich kühler anfühlen als kühlere Luft mit warmen Wänden.

Was ist die mittlere Strahlungstemperatur?

Die mittlere Strahlungstemperatur ist die durchschnittliche Temperatur aller Flächen, mit denen Sie über Strahlung Wärme austauschen, also Wände, Fenster, Boden und Decke, gewichtet danach, wie viel Ihrer Umgebung jede davon einnimmt. Weil Strahlung drinnen der größte Weg ist, über den Ihr Körper Wärme verliert, hat sie großen Einfluss darauf, wie warm Sie sich fühlen.

Was ist der Behaglichkeitsbereich nach ASHRAE 55?

Der Behaglichkeitsbereich ist die Spanne operativer Temperaturen, die die meisten Menschen bei einer bestimmten Aktivität und Kleidung als behaglich empfinden. Für ruhig sitzende Menschen bei normaler Luftfeuchte liegt er grob bei 20 bis 24 °C in Winterkleidung und 23 bis 27 °C in Sommerkleidung. Die Norm berechnet ihn im Einzelfall, die Werte sind also ungefähre Spannen.

Welche Raumtemperatur ist ideal?

Eine einzige ideale Temperatur gibt es nicht, weil Behaglichkeit neben der Luft auch von Aktivität, Kleidung und den umgebenden Flächen abhängt. Als Richtwert empfiehlt das Umweltbundesamt im Winter etwa 20 °C für Wohnräume und etwa 17 bis 18 °C für Schlafzimmer, und die Weltgesundheitsorganisation mindestens 18 °C in Innenräumen in der kalten Jahreszeit.

Was ist Strahlungsasymmetrie?

Strahlungsasymmetrie ist der Unterschied der Strahlungstemperatur zwischen einer Seite von Ihnen und der anderen oder zwischen oben und unten, etwa ein kaltes Fenster auf einer Seite oder eine warme Decke über Ihnen. ASHRAE 55 begrenzt sie: Eine warme Wand nehmen Menschen viel eher hin als eine warme Decke, und ein kaltes Fenster ist zu Hause die häufigste Ursache.

Warum friere ich, obwohl das Thermostat 21 °C anzeigt?

Meist, weil die Flächen um Sie herum kalt sind. Das Thermostat misst nur die Lufttemperatur, doch den größten Teil Ihrer Wärme geben Sie drinnen als Strahlung an Wände, Fenster und Boden ab. Sind diese kühl, verlieren Sie Wärme an sie und frieren, auch wenn die Luft warm ist. Zugluft und wenig Bewegung verstärken das.