DE8908474U1

DE8908474U1 - Device for measuring comfort

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Publication number: DE8908474U1
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Priority date: 1989-07-12
Filing date: 1989-07-12
Publication date: 1989-09-21

Description

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Prof. Or. Philipp Katz, Holbeinring 15, 6300 Gießen Device for measuring comfort

Dia Ne^serutt^ bezieht eich auf eine ¥orrichfcvesg s&r Messung sienschlichen Behaglichkeit in insbesondere klimatisierten Räumen, bestehend aus einem Träger zur Aufnahme von Sensoren zumindest zur iSassHng dsr JäUfttesipwrstur, Luftf©uehtigJ«»At_; Luftgeschwindigfe&dt, der physikalischen Strömxngatoim und des Strahlungsausmit den UEvjebungsf lachen.The term "neural comfort" refers to a device for measuring physical comfort in air-conditioned rooms in particular, consisting of a support for the accommodation of sensors at least for measuring air temperature, air humidity _, air velocity, physical flow velocity and radiation output from the exhaust surfaces.

In jüngster Zait sind über die Behaglichkeit ii. klimatisierten Räumen international Diskussionen in Gang gekommen. Durch eine Veröffentlichung von P. Kröling "Gesundheits- und Befindensstörungen in klimatisierten Räumen«, München 1985, wurde in Deutschland unter anderem auch die Frage gestellt, ob Klimaanlagen krank fachen. Auf zahlreichen Kongressen werden alle möglichen Forderungen gestellt, wie Raumklima sein soll. Leider sind diese Forderungen in der Regel wenig subetantiiert oder nicht ausreichend präzisiert und daher nur schwer in die Praxis umzusetzen. Weltweit beachtete Arbeiten zu diesem Problem wurden offenbar nur von P.O. Fanger veröffentlicht. In der Bundesrepublik Deutschland »ind Forschungen über die Behaglichkeit and die Arbeitszufriedenheit in klimatisierten Räumen, soweit sie überhaupt durchgeführt werden, noch unzureichend koordiniert.Recently, international discussions have been taking place about the comfort of air-conditioned rooms. In a publication by P. Kröling entitled "Health and well-being disorders in air-conditioned rooms", Munich 1985, the question was raised in Germany as to whether air conditioning systems cause illness. At numerous congresses, all kinds of demands are made about what the room climate should be like. Unfortunately, these demands are usually not very substantiated or are not sufficiently precise and are therefore difficult to put into practice. The only work on this problem that has received worldwide attention has apparently been published by P.O. Fanger. In the Federal Republic of Germany, "research into comfort and job satisfaction in air-conditioned rooms, to the extent that it is carried out at all, is still inadequately coordinated.

Bisher besteht die weit verbreitete Meinung, daß die thermische Behaglichkeit von Menschen in Räumen allenfalls von der Lufttemperatur, der Luftfeuchtigkeit und der Luftgeschwingkeit beeinflußt wird. Deshalb sind MeßVorrichtungen bekannt geworden, mitUntil now, there has been a widespread opinion that the thermal comfort of people in rooms is influenced at most by the air temperature, humidity and air velocity. Therefore, measuring devices have become known with

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denen die Lufttemperatur, die Luftfeuchtigkeit und die LuftgeschwiBligkeit in einem klimatisierten Raum gemessen werden kann. Derartige KeSvorriehttmgeft basfce&tteft a«e einem Stativ, auf demwhich the air temperature, humidity and air velocity can be measured in an air-conditioned room. Such a device is based on a tripod on which

f jeweils Sensoren zum Messen der Lufttemperatur, der Luftfeuch- f sensors for measuring air temperature, humidity

und der Luftgeschwindigkeit angeordnet sind. Lufttemperatur und Luftgeschwindigkeit haben nur Einfluß auf die konvektive Wärmeabgabe des menschlichen Körpers, Luftfeuchte nur auf die latente Wärmeabgabe Die konvektive Wärmeabgabe umfaßt ca. nur ein Drittel, die feuchte bzw. latente Wärmeabgabe nur ca. 1/5 der Gesamtwärmeabgabe eines Menschen. Dies bedeutet, daß nahezu die Hälfte der Gesamtwärmeabgabe eines Menschen von der durchgeführten Messung nicht erfaßt bzw. nicht berücksichtigt wird.and the air speed. Air temperature and air speed only influence the convective heat emission of the human body, air humidity only influences the latent heat emission. The convective heat emission comprises only about a third, the moist or latent heat emission only about 1/5 of the total heat emission of a person. This means that almost half of the total heat emission of a person is not recorded or taken into account by the measurement carried out.

Entscheidend für die Behaglichkeit in einem klimatisierten Raum ist aber auch die physikalische Strömungsform, die turbuchat, turbulent und laminar sein kann. Diese physikalisch sehr unterschiedlichen Strömungsformen gehören zu zwei eigenständigen Bereichen der Strömungsmechanik, der Raum- und der Verdrängungeströmung. Die wärmephysiologisch empfindungsrelevanteste Strömung von ihnen ist die turbuchate Strömung, die nur in klimatisierten Bäumen auftritt. Turbulente und laminare Strömungen gibt es nur bei Verdrängungs- (Rohr-) Strömungen. Der wichtige Unterschied zwischen den beiden eigenständigen Strömungsbereichen ist mit geeigneten Meßgeräten leicht nachzuweisen. Dazu wird die turbuchate Raumströmung und die turbulente bzw. laminare Verdrängungsströmung mit jeweils zwei Me3gt»räten gleicher Empfindlichkeit gleichzeitig und an der gleichen Stella in einem Raun bzw. einem Kanal gemesnen. Dabei ist ein Geschwindigkeitsfühler richtungsunabhängig, während der andere richturgsabhängig ist. Dabei wurde festgestellt, daß bei turbuohater (Raum-) Strömung rieh-The physical flow form, which can be turbulent, turbulent and laminar, is also crucial for comfort in an air-conditioned room. These physically very different flow forms belong to two independent areas of fluid mechanics, spatial flow and displacement flow. The flow of these that is most relevant to thermal physiology is the turbulent flow, which only occurs in air-conditioned trees. Turbulent and laminar flows only occur in displacement (pipe) flows. The important difference between the two independent flow areas is easy to demonstrate with suitable measuring devices. To do this, the turbulent spatial flow and the turbulent or laminar displacement flow are measured simultaneously and at the same location in a room or a channel using two measuring devices of the same sensitivity. One speed sensor is direction-independent, while the other is direction-dependent. It was found that in turbulent (space) flow, smell

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tungsabhängige Meßfühler nicht verwendbar sind, weil sie die wirklichen Geschwindigkeiten nicht erfassen. Bei turbuchater (Raun-) Strömung bewegen sich die einzelnen Luftteilchen ungeordnet nach allen Seiten, auch zurück und nehmen in denkbaren Zeiten nicht zweimal den gleichen Weg. Das bedeutet, daß die Luft te liehen ständig sowohl ihr* ceeohvinciigkeit ale auch ihre Richtung wechseln. Das ist die Ursache für die bekannte Tatsache, daß die Raumströmung die Behaglichkeit weit mehr beeinträchtigen kann als die Verdrängungsströmung. Während bei der Verdrängungsströmung gerichtete Luftbewegungen von ca. 0,5 m/s durchweg noch nicht als Zug empfunden werden, sind bei der türbuchaten Strömung bereits Geschwindigkeiten um 0,2 m/s häufig Anlaß zu massiven Beschwerden über Zugerscheinungen. Die physikalische Strömungsform in klimatisierten Räumen ist jeaoch mit den bekannten Vorrichtungen nicht meßbar.speed-dependent sensors cannot be used because they do not record the actual speeds. In the case of a room flow, the individual air particles move in an unorganized manner in all directions, even backwards, and do not take the same path twice in any conceivable time. This means that the air particles constantly change both their velocity and their direction. This is the reason for the well-known fact that room flow can have a much greater impact on comfort than displacement flow. While in displacement flow, directed air movements of around 0.5 m/s are not always perceived as a draft, in the case of door-flow, speeds of around 0.2 m/s are often the cause of massive complaints about drafts. However, the physical form of flow in air-conditioned rooms cannot be measured using the known devices.

Der menschliche Körper ist in der Regel wärmer als der umgebende Raum, zudem verdunstet er. Dies führt zu AuftriebsBtrömungen am Körper., die je nach Raumtemperatur in der Größenordnung von 0,1b m/s - 0,23 m/s liegen. Empfindungsrelevant können daher nur die Resultierenden aus Raum- und Auftriebsströmungen am Körper sein. Im Raum ist darüber hinaus aber auch der Körper ein nicht vernachlässigbares Strömungshindernis und hat häufig dadurch einen großen Einfluß auf die Raumströmung. Das bedeutet, daß jedes Heßgerät, welches eine geringere ablenkende Wirkung als der menschliche Körper hat, zwangsläufig falsche Werte anzeigen muß. Alle bisher bekannten Vorrichtungen zur Messung der Behaglichkeit in klimatisierten Räumen erfassen, wenn überhaupt, nur die Verhältnisse im menschenleeren Raum, keineswegs jedoch die an einer sich darin aufhaltenden Person. Die bekannten Meßvorrichtungen haben den Nachteil, daß die Körpertemperatur undThe human body is generally warmer than the surrounding room, and it also evaporates. This leads to buoyancy currents on the body, which, depending on the room temperature, are in the order of 0.1 m/s - 0.23 m/s. Therefore, only the result of room and buoyancy currents on the body can be relevant to sensation. In a room, however, the body is also a non-negligible obstacle to flow and often has a major influence on the room flow. This means that any measuring device that has a lesser distracting effect than the human body must inevitably show incorrect values. All previously known devices for measuring comfort in air-conditioned rooms record, if at all, only the conditions in an empty room, but not those of a person in it. The known measuring devices have the disadvantage that the body temperature and

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die durch Wärmeabgabe und Verdunstung am menschlichen Körper provozierten Auftriebsströmungen sowie die Strömungsbeeinflussende Wirkung des Körpers als Hindernis vollkommen unberücksichtigt bleibt.the buoyancy currents caused by heat loss and evaporation on the human body as well as the flow-influencing effect of the body as an obstacle are completely disregarded.

nar Neuerung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde» eine Vorrichtung zur Messung der menschlichen Behaglichkeit in insbesondere klimatisierten Räumen zu schaffen, mit der. neben den klassischen Größen "Lufttemperatur, Luftgeschwindigkeit und Luftfeuchteⁿ. auch die Wärmestrahlung und insbesondere die physikalische Strömungsform und deren Einfluß auf den menschlichen Körper unter Berücksichtigung der Wärmeabgabe des menschlichen Körpers und seiner Hinderniswirkung genau gemessen werden kann.The aim of this innovation is therefore to create a device for measuring human comfort, particularly in air-conditioned rooms, with which, in addition to the classic quantities of air temperature, air velocity and air ^humidity , heat radiation and, in particular, the physical flow pattern and its influence on the human body can be measured precisely, taking into account the heat emitted by the human body and its obstruction effect.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung vorgeschlagen, daß der Träger für die Sensoren in Form und Größe eines menschlichen Körpers ausgebildet ist und eine Heizeinrichtung aufweist, über die der Träger zumindest auf die Oberflächentemperatur des unbekleideten menschlichen Körpers erwärmbar ist. Durch diese Ausbildung des Sensorträgers können nicht nur die Lufttemperatur, die Luftfeuchte, die Luftgeschwindigkeit und der Strahlungsaustausch, sondern auch insbesondere die genaue physikalische Strömungsform gemessen werden, die auf den menschlichen Körper einwirkt. Dabei werden zumindest die Temperaturen an den verschiedensten, insbesondere für die Behaglichkeit maßgebenden Stellen, nämlich im FuB- und Nacken-/Kopfbereich gesessen. Auch die Luftgeschwindigkeit kann an unterschiedlichen Stellen, insbesondere an der Stirn, den Händen und den Füßen gemessen werden, so daß sehr genaue Aussagen über die menschliche Behaglichkeit gemacht werden können.To solve this problem, it is proposed in a device of the type described above that the carrier for the sensors is designed in the shape and size of a human body and has a heating device by means of which the carrier can be heated at least to the surface temperature of the unclothed human body. This design of the sensor carrier makes it possible to measure not only the air temperature, the air humidity, the air speed and the radiation exchange, but also in particular the exact physical flow form that affects the human body. At least the temperatures are measured at a wide variety of locations, particularly those that are decisive for comfort, namely in the foot and neck/head area. The air speed can also be measured at different locations, in particular on the forehead, hands and feet, so that very precise statements can be made about human comfort.

Weitere Merkmale einer Vorrichtung gemäß der Neuerung sind in den Ansprüchen 2-7 offenbart.Further features of a device according to the innovation are disclosed in claims 2-7.

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Die Neuerung wird nachfolgend anhand eines In einer Zeichnung In vereinfachter Welse dargestellten Ausfuhrungsbelsplelee näher erläutert .The innovation is explained in more detail below using an implementation example shown in a drawing in simplified form.

In dieser Zeichnung 1st eine körpergroße Puppe, ein sogenannter Meßdummy, dargestellt, die zur Aufnahme bzw. als Träger für Sensoren dient. Der Puppe 1 1st eine nicht dargestellte Heizeinrichtung zugeordnet, mit der die Puppe 1 entsprechend der Oberflächentemperatur des unbekleideten, menschlichen Körpers erwärmt werden kann. Die Erwärmung der Puppe 1 kann entweder elektrisch, mit einem flüssigen Wärmeträger, z.B. Wasser, oder mittels Gas erfolgen, wobei das Gas, z.B. Luft, einen der menschlichen Verdunstung entsprechenden Wasser- bzw. Feuchtigkeitsgehalt aufweisen kann. Bedarfsweise kann die Puppe 1 zumindest über einen Teil ihrer Oberfläche mit öffnungen versehen sein, über die entsprechend der Verdunstung des menschlichen Körpers Wasser austreten und verdunsten kann. Bedarfsweise kann die Heizeinrichtung innerhalb des menschlichen Körpers angeordnet sein.This drawing shows a body-sized doll, a so-called measuring dummy, which serves to hold or support sensors. The doll 1 is assigned a heating device (not shown) with which the doll 1 can be heated according to the surface temperature of the unclothed human body. The doll 1 can be heated either electrically, with a liquid heat carrier, e.g. water, or by means of gas, whereby the gas, e.g. air, can have a water or moisture content corresponding to human evaporation. If necessary, the doll 1 can be provided with openings over at least part of its surface through which water can escape and evaporate in accordance with the evaporation of the human body. If necessary, the heating device can be arranged inside the human body.

An geeigneten tS teilen, etwa im oberen Fußbereich, beispielsweise im Bereich des Knöchels, sowie im Nackenbereich sind nur durch einen Kreis angedeutete Sensoren 2 vorgesehen, über die die Temperatur der Luft gemessen werden kann. Zur Messung der Luftfeuchte let beispielsweise an der Stirn und an einer Hand jeweils ein als Kreis dargestellter Sensor 3 vorgesehen. Ferner weist die Puppe l im Bereich der Stirn einen Senor 4 auf, mit dem die Luftgeschwindigkeit zu messen ist. Auch an Hand und Fuß sind entsprechende Sensoren 4 zur Messung der Luftgeschwindigkeit vorgesehen. Im Bereich des Mundes weist die Puppe 1 einen Sensor 5 auf, der zur Messung des Staubes dient. Im Bereich der Stirn und etwa 10 cm über dem Fußboden, beispielsweise in Höhe des Fußknöchels befin-Sensors 2, indicated by a circle, are provided at suitable points, such as in the upper foot area, for example in the ankle area, and in the neck area, and can be used to measure the temperature of the air. For measuring the humidity, a sensor 3, shown as a circle, is provided on the forehead and on one hand. Furthermore, the doll 1 has a sensor 4 in the forehead area, with which the air speed is to be measured. Corresponding sensors 4 for measuring the air speed are also provided on the hand and foot. In the mouth area, the doll 1 has a sensor 5, which is used to measure dust. In the forehead area and about 10 cm above the floor, for example at the level of the ankle, there are sensors 3.

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den sich Sensoren 5 zur Messung der physikalischen Strömungsform. Im Bereich des Mundes der Puppe 1 kann ein Sensor angeordnet werden, mit dem zumindest einige Gerüche erfaßbar und meßbar sind. Im Bereich der Ohren können Sensoren zur Messung von Geräuschen vorgesehen werden. Um eine wirklichkeitsnahe Messung durchzuführen, ist es zweckmäßig, wenn die Puppe 1 so bekleidet ist, wie dies normalerweise oder speziell in einem klimatisierten Raum der Fall ist.Sensors 5 are provided for measuring the physical flow pattern. A sensor can be arranged in the area of the mouth of the doll 1, with which at least some smells can be detected and measured. Sensors for measuring noises can be provided in the area of the ears. In order to carry out a realistic measurement, it is expedient if the doll 1 is dressed as is normally the case or especially in an air-conditioned room.

Alle Sensoren 2-6 sind an ein zentrales, nicht dargestelltes Erfassungsgerät angeschlossen, mit dem die gemessenen Werte nicht nur angezeigt, sondern auch ausgedruckt werden können. Die Ansprechzeit des Menschen beträgt zumindest bei den direkt thermorelevanten Einflußgrößen wie Temperatur, Luftgeschwindigkeit und Luftrichtung, etwa 1/10 Sekunden. Deshalb müssen die Sensoren bzw. Meßfühler bei den wärmephysiologische besonders relevanten Parametern eine Ansprechzeit von etwa 0,1 s aufweisen. All sensors 2-6 are connected to a central recording device (not shown), with which the measured values can not only be displayed but also printed out. The response time of humans is approximately 1/10 of a second, at least for the directly thermo-relevant influencing variables such as temperature, air speed and air direction. The sensors or measuring probes must therefore have a response time of approximately 0.1 s for the parameters that are particularly relevant to heat physiology.

Die Gewichtigkeit der einzelnen Einflußgrößen auf die menschliche Behaglichkeit in klimatisierten Räumen ist sehr unterschiedlich und im einzelnen noch weitgehend unerforscht. Ebenso ist noch unbekannt, wie sich die Kombination mehrerer Parameter auswirkt. Um die Vorrichtung nun kalibrieren und damit auf die für die Beurteilung der Behaglichkeit in einem klimatisierten Raum erforderlichen Werte einstellen zu können, ist derzeit nur eine Methode denkbar. Dazu hält eine größere Anzahl von Probanden in einem klimatisierten Raum ihre Empfindungen in ausführlichen Fragebogen fest. Dabei werden unter anderem auch Dinge abgefragt, die sich generell nicht als Empfindungsparamet.er definieren lassen, wie beispielsweise körperliche Unpäßlichkeit, Zeitpunkt derThe importance of the individual factors influencing human comfort in air-conditioned rooms varies greatly and has not yet been researched in detail. It is also still unknown how the combination of several parameters affects the device. In order to calibrate the device and thus set it to the values required for assessing comfort in an air-conditioned room, only one method is currently conceivable. To do this, a large number of test subjects in an air-conditioned room record their feelings in detailed questionnaires. This includes questions about things that cannot generally be defined as sensation parameters, such as physical indisposition, time of

letzten Mahlzeit, Stress usw.. Gleichzeitig werden die Verhältnisse von der erfindungsgemäßen Vorrichtung ebenfalls gemessen
und aufgezeichnet. Die Zuordnung der Empfindungen der Versuchspersonen zu den Meßergebnissen der Vorrichtung ist dann die
Grundlage fur die Kalibrierung.last meal, stress, etc. At the same time, the conditions are also measured by the device according to the invention
and recorded. The assignment of the test subjects’ sensations to the measurement results of the device is then the
Basis for calibration.

Es bekannt, daß weitere thermische Einflußgrößen existieren, die aber teilweise technisch noch nicht erfaßt werden können. Beispielsweise führen auch an und für sich geringe akustische Wahrnehmungen zu starken wärmephysiologischen Reaktionen. Bestimmte Geräusche, z.B. Messer auf Teller, Kreide auf Tafel, bewirken bei vielen Menschen spontan eine Gänsehaut, was eine typische Thermoreaktion darstellt. Obwohl die Lautstärke des auslösenden Geräusches gering ist, ist die Wirkung doch drastisch. Der Volksmund kennt "warme" und "kalte" Farben. Der Einfluß der Farbe auf thermische Empfindungen des Menschen und dessen Leistungsfähigkeit unter sonst völlig gleichen raumkl!statischen Verhältnissen ist bedeutend. Zwischen einem blauen (kalten) und einem roten
(warmen) Raum besteht bei gleicher Wärmeempfindung und gleicher erbrachter Leistung eine Temperaturdifferenz von bis zu 4 K.
Das bedeutet, daß unterschiedliche Farben bei gleichen raumklimatischen Verhältnissen verschiedene Empfindungen oder dgl. hervorrufen. Daher ist vorzusehen, die Meßmöglichkeiten der Puppe
1 zur Erfassung weiterer, beispielsweise der vorgenannten thermischen Einflaßgrößen zu ergänzen, sobald entsprechende Maßaufnehmer auf dem Markt erhältlich sind. Der dafür erforderliche
Platz ist in der körpergroßen Puppe 1 vorhanden; neue Meßfühler können daher ohne Schwierigkeiten integriert werden.It is known that other thermal influencing factors exist, but some of them cannot yet be technically recorded. For example, even slight acoustic perceptions lead to strong thermal physiological reactions. Certain noises, e.g. knife on plate, chalk on blackboard, spontaneously give many people goose bumps, which is a typical thermal reaction. Although the volume of the triggering noise is low, the effect is drastic. People know "warm" and "cold" colors. The influence of color on people's thermal sensations and their performance under otherwise completely identical spatial conditions is significant. There is a difference between a blue (cold) and a red
In a (warm) room, there is a temperature difference of up to 4 K with the same heat sensation and the same performance.
This means that different colours cause different sensations or similar under the same room climate conditions. It is therefore necessary to provide for the measurement capabilities of the doll
1 to record other thermal influences, such as those mentioned above, as soon as corresponding sensors are available on the market. The required
There is space in the body-sized manikin 1; new sensors can therefore be integrated without difficulty.

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Claims

Prof. Dr. Philipp Katz, Holbeinring 15, 6300 Gießen Schufczanspz-ücbe

1. Device for measuring air humidity in rooms, particularly in air-conditioned rooms, consisting of a carrier for holding sensors at least for measuring the air temperature, air humidity, air speed, the physical flow pattern and the radiation exchange with the surrounding surfaces,

characterized,

that the carrier (1) is designed in the shape and size of a human body and has a heating device by means of which the carrier (1) can be heated at least to the surface temperature of the unclothed human body.

2. Device according to claim 1,
characterized,

that the heating device is arranged in the carrier (1).

3. Device according to claim 1 or 2,
characterized,

that the wearer (l) is provided with interchangeable clothing .

4. Device according to at least one of claims 1-3, characterized in

that the carrier (1) has evaporation openings which are connected to an evaporation device.

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5. Device according to claim 4,
characterized,
that the evaporation device in the carrier (X) is sügiöc-rör.et,

6» Device according to at least one* of claims 1-5, dadwttsfe &«k6jrinä@ichnet,

that at least the sensors (2,3,4) for measuring the air temperature, the air velocity and the physical radiation form are present twice or in the neck/

and in the upper foot of the carrier (1).

7. Device according to at least one of claims 1-6, characterized in that

that the carrier (l) is equipped with additional sensors for measuring noise, air pollution, colors and light, pressure and pressure changes, dust and/or odors.

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