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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Meßkörper
zwei sich in parallelen Ebenen gegenüberstehend angebrachte und gegeneinander wärmeisolierte,
plattenförmige Elemente umfaßt, deren voneinander abgekehrte Flächen geschwärzt
sind, und daß die Steuer- und Meßeinheit dazu eingerichtet ist, die schwarzen Flächen
auf annähernd gleichen Temperaturen zu halten und den Unterschied zwischen den hierzu
erforderlichen Heizleistungen zu messen. In diesem Fall wird eine direkte Messung
des Unterschiedes zwischen dem Wärmeaustausch des Meßkörpers mit der Umgebung in
zwei verschiedenen Richtungen vorgenommen,
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so daß man sich schnell und mit Hilfe nur einer einzelnen Messung
Auskunft über die Asymmetrie des thermischen Feldes verschaffen kann Da die Messung
in den beiden entgegengesetzten Richtungen gleichzeitig ausgeführt wird, kann man
auch sicher sein, daß man Fehler ausgeschaltet hat, die auf mit der Zeit variierende
Zustände zurückzuführen sind.
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Um eine Bezugsgrundlage für die Temperaturen der geschwärzten Flächen
zu erhalten, ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gerätes dadurch gekennzeichnet,
daß Mittel zum Messen der Lufttemperatur vorgesehen sind und daß die Steuer- und
Meßeinheit dazu eingerichtet ist, einen festen Unterschied zwischen der Temperatur
der Luft und der Temperatur der geschwärzten Flächen zu halten. Der Temperaturunterschied
kann z. B. 15"C betragen, so daß die geschwärzten Flächen bei einer Lufttemperatur
von ca. 20"C eine Temperatur haben, die ungefähr der Hauttemperatur des menschlichen
Körpers entspricht.
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Zum Messen der Lufttemperatur und der Temperatur der geschwärzten
Flächen sieht man bevorzugt vor, daß temperaturempfindliche Widerstände vorgesehen
sind, die in eine Meßbrücke eingeschaltet sind, von der Spannungen zur Steuerung
der den plattenförmigen Elementen zugeführten Leistungen abgeleitet werden.
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Hierdurch wird erreicht, daß die Temperaturen der geschwärzten Flächen
auf besonders einfache Weise geregelt werden können.
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Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Gerätes ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Meßeinheit Einrichtungen
zur Zuführung der Heizleistung für die plattenförmigen Elemente in der Form von
Impulsreihen mit konstanter Frequenz und Amplitude, aber variabler Impulsbreite,
sowie ein Drehspulinstrument mit dem Nullpunkt in der Skalenmitte enthält, dem die
beiden Impulsreihen zugeführt werden. In diesem Fall ergibt sich der sehr große
Vorteil, daß der Ausschlag am Drehspulinstrument einen direkten Ausdruck für die
zugeführte Heizleistung darstellt Bevorzugt sieht man vor, daß dem Drehspulinstrument
ein variabler Widerstand zur Einstellung des richtungsunabhängigen Unbehaglichkeitswertes
an der Stelle, wo der Meßkörper angebracht ist, parallel geschaltet ist.
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Die Bekleidung der Person ist ebenfalls von Bedeutung für den Grad
der Asymmetrie, der ohne Unbehaglichkeit zu empfinden hingenommen werden kann, und
um dies zu berücksichtigen, kann die Skala des Instruments erfindungsgemäß derart
ausgebildet sein, daß sie die Grenzen des Behaglichkeitsbereiches für verschiedene
Wärmeleitwiderstände der Kleidung (clo-Werte) angibt.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische
Zeichnung näher erklärt. Es zeigt F i g. 1 einen Meßkörper in perspektivischer Ansicht,
der zu dem Gerät zum Messen des durch Asymmetrie des thermischen Feldes verursachten
thermischen Unbehagens gehört, F i g. 2 einen Schnitt durch einen Teil des in F
i g. 1 wiedergegebenen Meßkörpers in stark vergrößertem Maßstab, Fig. 3 einen Schaltplan
des Gerätes, F i g. 4 eine Skala für ein Meßinstrument in dem Gerät nachFig.3und
Fig.5 eine andere Ausführungsform eines Meßkörpers für das Gerät Zur Aufrechterhaltung
des thermischen Behaglich-
keitsgefühls ist in erster Linie erforderlich, daß das
Wärmegleichgewicht zwischen einer Person und ihrer Umgebung in Ordnung ist. Mit
dem in der DT-OS 21 57550 angegebenen Gerät kann man feststellen, ob die thermische
Behaglichkeit einer Person optimal ist, was einem PMV-Wert von Null entspricht,
oder ob sie mehr oder weniger hiervon abweicht Der »PMV-Wert« gibt den Grad des
thermischen Unbehagens an, wie ausführlich in der Zeitschrift »Arbeitsmedizin Sozialmedizin
Präventivmedizin«, 9. Jahrgang, Heft 12, Dezember 1974, Seiten 269 und 270, erläutert
ist. Eine Abweichung vom optimalen Behaglichkeitsgefühl kann z. B. darauf zurückzuführen
sein, daß die Wärmeabgabe von den verschiedenen Teilen des Körpers ungleichmäßig
ist, da dieses als thermisch unbehaglich empfunden wird.
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Mit einem erfindungsgemäßen Gerät läßt sich auf schnelle und einfache
Weise feststellen, ob von einer Asymmetrie im thermischen Feld die Rede ist und
ob diese Asymmetrie so groß ist, daß sie die Ursache für das thermische Unbehagen
sein kann. Das von einem asymmetrischen thermischen Feld verursachte thermische
Unbehagen kann entweder auf eine asymmetrische Wärmeabgabe durch Strahlung oder
durch Konvektion oder durch eine Kombination derselben zurückzuführen sein. Eine
Person ist jedoch normalerweise nicht dazu imstande, festzustellen, ob es sich um
asymmetrische Strahlung oder um asymmetrische Konvektion (Zugwirkung) handelt, da
die Thermorezeptoren der Haut unter der Oberfläche sitzen und die Unterschiede im
Wärmestrom durch die Haut, also Wärmeleitung, registrieren.
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Die Erfindung basiert auf nachstehendem Ausdruck für die Behaglichkeitsgrenzen
für axymmetrische thermische Felder: - 2,4 - 1B I,,, I n ltwFpw< 3,9 + 1,8 ICIO
(I) in welchem Ausdruck Iclo den clo-Wert der Bekleidung, Fp w das Strahlungsflächenverhältnis
zwischen Person und Strahlungsquelle und tw den Temperaturunterschied zwischen Strahlungsquelle
und mittlerer Strahlungstemperatur bedeuten. Der clo-Wert ergibt den Wärmeleitwiderstand
der Kleidung an; gewöhnlich setzt man: 1 clo = m2 c w In dem vorstehend erwähnten
Aufsatz in der »Gesundheits-Ingenieur« wird auch angegeben: 1 clo = 0,18 m2 h grd/kcal.
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Die Beziehung (I) ist gültig, wenn der PMV-Wert gleich Null ist.
Ist dies nicht der Fall, wird der Bereich eingeengt. Bei der Aufstellung der Beziehung
wurden asymmetrische Strahlungsfelder verwendet, was jedoch ohne Bedeutung ist,
da eine Person, wie erwähnt, nicht fühlen kann, worin die Ursache der Asymmetrie
besteht.
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Die Beziehung wurde auf Grundlage der Aussagen einer verhältnismäßig
kleinen Anzahl von Personen empirisch bestimmt, und die Zahlenwerte werden sich
deshalb möglicherweise ändern, sobald umfangreicheres Erfahrungsmaterial vorliegt.
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Der in den F i g. 1 und 2 wiedergegebene Meßkörper für das Gerät
besteht aus einer Platte 1 aus wärmeisolierendem Material, die auf jeder Seite mit
einer Platte 2 bzw. 3 aus einem Material versehen ist, welches die Wärme gut leitet,
z. B. Silber. Die Flächen
der Platten 2 und 3, die der Umgebung
zugekehrt sind, sind geschwärzt und matt. Die Platten 2 und 3 haben auf ihren Rückseiten
teils Heizdrähte 4 und 5, teils temperaturempfindliche Widerstandsdrähte 6 und 7,
iB. Nickeldrähte. Die Drähte können durch Kleben an den Platten befestigt sein.
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Die aus den Platten 1, 2 und 3 bestehende Einheit ist an einer Stange
8 befestigt, die außerdem einen Lufttemperaturmesser 9 trägt, der einen in F i g.
1 nicht eingezeichneten temperaturempfindlichen Widerstandsdraht, z, B. einen Nickeldraht,
enthält und daneben noch ein kleines Gebläse enthalten kann, der für eine lebhafte
Luftumspülung des Widerstandsdrahtes und damit für eine schnelle und präzise Messung
der Lufttemperatur sorgt. Der Lufttemperaturmesser 9 muß so dicht wie möglich am
Strahlungsmesser 1, 2, 3 angebracht sein, aber doch derartig, daß sich die Messungen
nicht gegenseitig stören.
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Die Heizdrähte 4 und 5, die Widerstandsdrähte 6 und 7 sowie der Widerstandsdraht
10 im Lufttemperaturmesser 9 sind über nicht eingezeichnete Leitungen in das in
F i g. 3 gezeigte Gerät eingeschaltet. Der Lufttemperatur-Meßwiderstand 10 bildet
zusammen mit dem mit ihm in Serie geschalteten festen Widerstand 11 den einen Zweig
in zwei Brückenschaltungen, deren andere Zweige von dem in Serie mit einem festen
Widerstand 12 und einem variablen Widerstand 13 geschalteten Widerstand 6 bzw. dem
in Serie mit einem festen Widerstand 14 und einem variablen Widerstand 15 geschalteten
Widerstand 7 gebildet werden. In die Diagonalen der Brücke sind die als Vergleichsschaltungen
arbeitenden Verstärker 16 und 17 geschaltet, deren einem Eingang über einen Kondensator
19 außerdem eine Dreieckspannung von einem Spannungsgenerator 18 zugeführt wird.
Die Ausgangssignale der Verstärker 16 und 17 steuern zwei vorzugsweise elektronische
Relais 20 und 21, mit deren Hilfe die Heizkörper 4 und 5 an die Speisegleichspannung
der Schaltung angeschlossen werden können.
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Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die Heizkörper mit einer
Impulsspannung mit fester Frequenz, nämlich der von der Frequenz der Dreieckspannung
bestimmten Frequenz, mit fester Amplitude, nämlich der von der Speisegleichspannung
der Schaltung bestimmten Amplitude, und mit einer variablen Impulsbreite, die von
der Spannung der betreffenden Brückendiagonalen abhängig ist, gespeist werden. Wird
die Spannung an den Heizkörpern 4 oder 5 mit einem Drehspulinstrument gemessen,
ergibt sich ein Ausschlag, welcher der den Heizkörpern zugeführten Leistung proportional
ist.
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In der in F i g. 3 gezeigten Schaltung werden die Spannungen ES und
EFíl an den Heizkörpern 4 und 5 über Widerstände 22 und 23 einem Drehspulinstrument
24, dessen Nullpunkt in der Skalenmitte liegt, zugeführt.
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Die Anzeige des Instruments ist deshalb dem Unterschied zwischen den
den beiden Heizkörpern zugeführten Leistungen proportional.
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Das Instrument 24 ist mit der Serienschaltung aus einem festen Widerstand
25 und einem variablen Widerstand 26 geshuntet, mit dem die Meßempfindlichkeit des
Instruments geändert werden kann. Der Widerstand 26 wird dem Unbehaglichkeitswert,
d. h.
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dem PMV-Wert, entsprechend eingestellt, der z. B. mit dem aus der
eingangs erwähnten deutschen Offenlegungsschrift bekannten Gerät gemessen wird und
den man als den richtungsunabhängigen Unbehaglichkeitswert bezeichnen könnte, indem
eine Person, die sich in
einem asymmetrischen thermischen Feld befindet, die durch
die Beziehung (I) gegebenen Grenzen leichter erreicht, wenn von einem wesentlichen
richtungsunabhängigen Unbehagen die Rede ist, als wenn der richtungsunabhängige
Behaglichkeitszustand optimal wäre.
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Bevor das Gerät in Gebrauch genommen wird, werden die beiden Widerstände
13 und 15, vorzugsweise in einem symmetrischen thermischen Feld auf solche Werte
eingestellt, daß die beiden Platten 2 und 3 dieselbe Temperatur haben, die eine
fixe Anzahl Grade, z. B. 15"C, über der Lufttemperatur liegt, welche mit dem Widerstand
10 gemessen wird. Wird der Meßkörper hiernach in ein asymmetrisches thermisches
Feld gebracht, wird die in F i g. 3 wiedergegebene Schaltung suchen, dieselben Temperaturbeziehungen
zwischen der Lufttemperatur und der Temperatur der beiden Platten 2 und 3 aufrechtzuerhalten,
und der Unterschied zwischen den Heizleistungen, die hierzu erforderlich sind, läßt
sich am Instrument 24 ablesen.
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Es geht nunmehr darum, die Stellen auf der Skala des Instruments
festzulegen, die den Grenzen in der Beziehung (I) entsprechen. Falls eine Person
thermisches Unbehagen empfindet, wenn diese Grenzen überschritten werden, so ist
der Grund hierfür darin zu suchen, daß eine zu große lokale Abweichung von der mittleren
Hauttemperatur als unbehaglich empfunden wird. Dadurch, daß man die eine Seite des
Meßkörpers die normale Hauttemperatur repräsentieren läßt und mit der anderen Seite
die Abweichung hiervon mißt, läßt sich feststellen, ob die Beziehung (I) erfüllt
ist.
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Die Beziehung d tw Fp~ w läßt sich berechnen, wenn man die Temperatur
der Strahlungsquelle, die die Asymmetrie hervorruft, und das Strahlungsflächenverhältnis
der Person zu dieser Strahlungsquelle kennt, d. h.
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den Bruchteil der gesamten Oberfläche, z. B. einer Person, der mit
einer gegebenen Fläche oder einem gegebenen Punkt Strahlung austauschen kann. Für
den Meßkörper sind die Strahlungsverhältnisse einfacher.
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Er teilt die Umgebung ganz einfach in zwei Raumhälften auf. Stellt
man sich vor, daß sich die Strahlungsquelle in der Raumhälfte I befindet, ergibt
sich 1 tFp~W = (t,, - tmrt11 ) 0,5 s (II) in welcher Gleichung die linke Seite für
eine Person und die rechte Seite für den Meßkörper gilt und tmni und tm,m die mittleren
Strahlungstemperaturen für die eine bzw. die andere Raumhälfte bezeichnen. Der Faktor
0,5 beruht darauf, daß jede der Platten des Meßkörpers ein Gesamt-Strahlungsflächenverhältnis
zur Umgebung von 0,5 hat.
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Wird Icio gleich Null gesetzt, ergibt sich durch Einsetzen der Beziehung
(II) in die Beziehung (I) folgende Beziehung: -4,8 < tmrt1 - tntrt11 <78 (III)
Da für den Wärmeaustausch zwischen einer Fläche und der Umgebung gilt, daß = = E
'T T (tF ttrt) ' (IV) worin E die Emissionszahl der Fläche (die für eine geschwärzte
matte Fläche fast 1,00 ist), t die Boltzmannsche Konstante (5,75. 10-8 Wim2 "Kelvin),
tF die Temperatur der Fläche (in " Kelvin) und tmrt
die mittlere
Strahlungstemperatur der Umgebung (ebenfalls in "Kelvin) bedeuten, ist es nun möglich,
die Unterschiede zwischen den Wärmeabgaben durch die beiden Seiten des Meßkörpers
zu ermitteln, die der unteren bzw. der oberen Grenze in der Beziehung (III) entsprechen.
Wird die mittlere Strahlungstemperatur in der Raumhälfte II zu 20"C angesetzt, ergibt
sich für die untere Grenze tmrtl = 20-4,8 = 15,2 C und und = 0,97 5,75. 10-8 [(20
+ 273)4 - (15,2 + 273ru = 26,3 W/m2 (v) und für die obere Grenze tmrt1 = 20+7,8
= 27,8 C und n O = 0o97 5,75. 10-8 [(27,8 + 273)4 - (20 + 273)4] = 45,5 W/m2. (Vll
Entsprechende Berechnungen lassen sich für andere Werte von Iclo ausführen.
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Es ist jetzt möglich, eine Skala für das Anzeigeinstrument 24 zu
dimensionieren. Die Dimensionierung wird besonders einfach, wenn man die Flächen
der Meßkörperplatten und die Heizkörper so wählt, daß die Spannung EF gleich 0,1
F ZEiF wird, wobei ÇF die der Meßkörperplatte zugeführte Leistung in W/m2 ist.
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Eine derartige Instrumentenskala ist in F i g. 4 wiedergegeben. Die
schrägen Linien 28 und 29 geben die Grenzen in der Beziehung (I) an. Wie ersichtlich,
verlaufen die Linien 28 und 29 mit der Richtung des Zeigers des Instruments nicht
parallel. Der Grund hierfür ist, daß sich der Bereich, in welchem eine Person infolge
thermischer Asymmetrie Unbehagen empfindet, desto mehr erweitert, je wärmer die
Person gekleidet ist. Die Bereiche 30 und 31, die außerhalb der Linien 28 und 29
liegen, können farbig gekennzeichnet sein, z. B.
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blau bzw. rot. Wie ebenfalls ersichtlich, liegen die untere und die
obere Grenze in bezug auf den Nullpunkt des Instruments nicht symmetrisch, und es
ist deshalb erforderlich, dem Meßkörper eine bestimmte Orientierung zu geben, so
daß immer die Seite I der Strahlungsquelle, die die Asymmetrie hervorruft, zugekehrt
oder gegen die Luftbewegungsrichtung gekehrt ist. Die betreffende Seite des Meßkörpers
ist vorzugsweise gekennzeichnet, z. B. durch einen Farbkode.
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Da eine Person, wie gesagt, nicht merken kann, ob eine asymmetrische
Wärmeabgabe durch Strahlung
oder Konvektion oder durch eine Kombination derselben
hervorgerufen wird, ist es berechtigt, den Unterschied zwischen den mittleren Strahlungstemperaturen
nach der Beziehung (III) durch den Unterschied zwischen den gesamten Wärmeabgaben
durch die beiden Seiten I und 1I zu ersetzen. Deshalb repräsentiert der Unterschied
zwischen den Spannungen EFt und EFII, der die Wärmeabgabe durch die beiden Seiten
des Meßkörpers mit recht hoher Genauigkeit widerspiegelt, die Asymmetrie im thermischen
Feld, die eine Person an der Stelle des Meßkörpers fühlen würde.
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In F i g. 5 ist eine andere Ausführungsform des Meßkörpers dargestellt.
In diesem Fall sind zu beiden Seiten der wärmeisolierenden Platte 1 zwei sich diametral
gegenüberliegende schwarze und matte Platten 32 und 33 und zwei sich ebenfalls diametral
gegenüberliegende blankpolierte Platten 34 und 35 angeordnet. Mit einem derartigen
Meßkörper und einer diesem angepaßten Steuer- und Meßeinheit ist es möglich, neben
der oben beschriebenen Messung der Asymmetrie des thermischen Feldes auch eine Messung
der Luftgeschwindigkeit und der mittleren Strahlungstemperatur auszuführen.
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Es wäre auch möglich, die verschiedenen clo-Werte elektrisch in die
Steuer- und Meßeinheit einzuführen, so daß sich die Skala des Instrumentes vereinfachen
ließe, da die in F i g. 4 gezeigten Kurven, die die verschiedenen clo-Werte repräsentieren,
dann wegfallen könnten.