Thermal sensation and comfort model for inhomogeneous indoor environments [Elektronische Ressource] / Rita Streblow

R. Streblow - E.On Energy Research Center, Rwth Aachen University

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2011
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• Langue: Deutsch
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Extrait

Thermal Sensation and Comfort Model for
Inhomogeneous Indoor Environments
Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen
Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades einer Doktorin der
Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Rita Streblow
Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. D. Müller M. Zeller
Tag der mündlichen Prüfung: 28. Mai 2010
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.Rita Streblow
"Thermal Sensation and Comfort Model for Inhomogeneous Indoor Environments"Bibliographische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über
http://dnb-nb.de abrufbar.
D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2010)
Herausgeber:
Univ.-Prof. Dr.ir. Dr.h.c. Rik W. De Doncker
Direktor E.ON Energy Research Center
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dirk Müller
Institut Energy Efficient Buildings and Indoor Climate
E.ON Research Center
Mathieustr. 6
52074 Aachen
Copyright Rita Streblow
Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdrucks, der auszugsweisen oder
vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der
Übersetzung, vorbehalten.
Printed in Germany
ISBN: 978-3-942789-00-4
1. Auflage 2011
Verlag:
E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University
Mathieustr. 6
52074 Aachen
Internet: www.eonerc.rwth-aachen.de
E-Mail: [e-mail]
Herstellung:
Druck- und Werbeservice Ralf Zillekens
Am Bachpütz 4
52224 Stolbergto my parents and sisterAcknowledgements
This work would have not been possible without the help of my colleagues, friends, and family.
First of all, I want to thank my doctoral advisor Prof. Dirk Müller for all his support and encour-
agement. He gave me the freedom to pursue my own research directions and helped me grow
in scientific and non-scientific ways. I am thankful to Prof. Manfred Zeller for his interest in my
research, his critical review of my thesis, and for being the co-examiner on my doctoral examina-
tion committee, and as well to Prof. Kneer and Prof. Jeschke for serving as chairs of my doctoral
examination committee.
I would like to thank my former colleagues at the Hermann-Rietschel-Institute at Technische Uni-
versität Berlin, where I did my first research and where the experiments for the thesis took place. I
continued my studies at the Institute for Energy Efficient Buildings and Indoor Climate at RWTH
Aachen University. The whole EBC group helped me understand that every cloud has a silver lin-
ing. A great big thanks to all of you!
Special thanks to Martin Schmidt, who contributed to my research in many ways, and to Björn
Flieger for his patience and support in setting up a coupled simulation. Thanks to Tanja Osterhage,
who introduced me to a new perspective and always lent me an ear, and to Armin Knels, who never
let up bringing me back to simple things such as canteen meals or movies at the cinema. Further
thanks to Mika Ruponen for introducing me to the world of science and for keeping an interest in
my work, and to Carsten Bösel for his flexibility in proofreading my work.
I am grateful to Airbus Operations GmbH for providing financial support. It was a great pleasure
to work with the members of the cabin group. I am especially indebted to Dr. Andreas Wick for his
enthusiasm for the topic and his critical comments on my work.
Moreover I would like to thank Elke, Günter and Thomas Wirth, Tanja Huster, Daniela Wagner, and
Jadwiga Wodzinski for moments of regeneration and distraction, and Robert Rank as a true com-
panion, always open for all kinds of discussions. Thanks to Claudia, Randolf, and Nicolai Balasus
for being invaluable friends in every situation.
Last but not least, I would like to express my sincere gratitude to my parents for educating me, for
providing their unconditional support, and for encouraging me to follow my own path. Greatest
thanks go to my sister for her love, care, and support in every situation.
Aachen, December 2010
Rita StreblowAbstract
The subject of this work is thermal comfort in complex non-uniform environments with special
regard to aircraft cabins. Under non-uniform conditions, it is difficult to define an acceptable or
comfortable range by using only the whole body thermal sensation vote. In complex thermal envi-
ronments, large thermal differences exist around the occupants. This means that standard comfort
models, which consider the human body as one compartment fail in the case of non-uniform en-
vironments. Clear evaluations are only possible by considering local effects. The 33 node comfort
model (33 NCM) developed for this study relates local thermal sensation and comfort in a psycho-
logical model to skin temperatures, which are defined by a physiological model. 16 single body
parts are resolved with a subdivision into a core and a skin layer. The local thermal sensation
and comfort of the single body parts is transformed into an overall thermal sensation and comfort
vote.
Since the integrated models for the physiological and psychological part are based on a limited
range of experiments with only partly known boundary conditions and the effects of intra- and
inter-individual differences, the whole model is calibrated with self-obtained experimental data
generated in an automated optimization process. As a result, the optimized set of design parame-
ters is limited to the field of application. The used experimental data reflect the thermal sensation
and comfort votes of sitting passengers in an aircraft cabin with a mixing or displacement ventila-
tion system. The universal validity of the underlying model makes it possible, however, to transfer
the whole process to any other indoor environment.
The book begins with an introduction into the fundamental principles of human physiology and
goes on to derive the body’s reactions in terms of thermal sensation and comfort from human
physiology and the definition of the human body state. Chapter four presents the various aspects
of thermal modelling and developed models. The development of the 33 NCM is based on experi-
ments (chapter five) and numerical flow simulations (chapter six) to collect further information on
the environmental conditions. The underlying mathematical models for the 33 NCM are explained
in chapter seven. Chapter eight defines the optimization process used for calibrating the model.
In addition to tests using the author’s own experimental data, the model is validated using data
from previous research (chapter nine). Chapter ten demonstrates the application of the 33 NCM
as a stand-alone model or in a coupled mode with numerical flow simulations.Zusammenfassung
Gegenstand dieser Arbeit ist die thermische Behaglichkeit in komplexen ungleichförmigen Innen-
räumen, die am Beispiel der Situation in Flugzeugkabinen betrachtet wird. Unter ungleichför-
migen Bedingungen ist es schwierig einen akzepatblen oder behaglichen Bereich lediglich durch
die Betrachtung des thermischen Gesamtzustandes zu definieren. Komplexe thermische Umge-
bungen sind durch grosse thermische Unterschiede im Aufenthaltsbereich der Nutzer bestimmt.
Dies bedeutet, dass Standardkomfortmodelle, die den menschlichen Körper als eine einzige Zone
betrachten, im Fall von ungleichförmigen Umgebungen versagen. Eindeutige Aussagen sind nur
durch die Betrachtung lokaler Effekte möglich. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte 33-Kno-
tenmodell (33 NCM) untergliedert daher den menschlichen Körper in 16 einzelne Segmente mit
einer weiteren Differenzierung in ein Kern- und ein Hautsegment. Es führt die auf Basis eines
physiologischen Modells bestimmten Körpertemperaturen durch weitere Anwendung eines psy-
chologischen Modells in ein lokales thermisches Empfinden und eine Komfortbewertung über.
Das lokale thermische Empfinden und der lokale Komfort wiederum sind über ein gewichtetes
Mittel als Gesamtempfinden und Gesamtkomfort darstellbar.
Die in die Entwicklung des physiologischen und des psychologischen Modells integrierten Ansätze
basieren auf einer begrenzten Anzahl an Experimenten. Diese unterliegen nur teilweise bekan-
nten Randbedingungen und weisen intra- und inter-individuelle Unterschiede auf. Um eine max-
imale Übereinstimmung zwischen Simulation und eigenen experimentellen Daten zu erzielen,
wird das Gesamtmodell in einem automatsierten Kalibrierungsprozess optimiert. Die Gültigkeit
der ermittelten Parameter ist somit auf den betrachteten Anwendungsfall beschränkt. Die verwen-
deten experimentellen Daten geben das thermische Empfinden und die Komfortbewertung von
sitzenden Passagieren in einer Flugzeugkabine mit einer Klimatisierung über Misch- oder Quell-
lüftung wieder. Durch die prinzipielle Allgemeingültigkeit der zugrunde gelegten Modelle kann
der gesamte Prozess jedoch auf jede andere Innenraumsituation übertragen werden.
Das Buch gibt zunächst eine Einführung in die massgeblichen Prozesse der menschlichen Physi-
ologie. Von der Physiologie und der Definition des thermischen Körperzustands ausgehend, wird
in die entsprechenden Reaktionen hinsichtlich E