Neuartige Klima-Anlage zur Erzeugung ungleicher Luft- und Strahlungstemperaturen in einem Versuchsraum: aus dem Max-Planck-Institut für Arbeitsphysiologie, Dortmund

56 Pages·1954·4.711 MB·German

by  Prof. Dr. med. E. A. Müller, Dr. med. H. G. Wenzel (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE
DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS
NORDRHEIN-WESTFALEN
Herausgegeben von Staatssekretar Prof. Leo Brandt
Nr.118
Prof. Dr. med. E. A. Muller
Dr. med. H. G. Wenzel
Neuartige Klima-Anlage zur Erzeugung ungleicher LuA-- und
Strahlungstemperaturen in einem Versuchsraum
aus dem
Max-Planck -Institut fur Arbeitsphtsiologie, Dortmund
Ais Manuskript gedruckt
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
1954
ISBN 978-3-663-04089-7 ISBN 978-3-663-05535-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-05535-8
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
G 1 i e der u n g
A. Einleitung und Problemstellung · · · · · · • s. 5
s.
B. Die technische Einrichtung der Klima-Anlage 1
I. Über die Arten der Einwirkung der Klimafaktoren
.
.
auf den Menschen · · • · · · · • · · · · · · s. 1
11. Das Prinzip der Herstellung ungleicher Luft- und
Strahlungstemperaturen im Versuchsraum · · · · · · s. 9
111. Der Gesamtaufbau der Klima-Anlage · · · · · · S. 22
IV. Die Einrichtung zur Klimatisierung der Luft · · • s. 31
V. Die Regulierung der Lufttemperatur und
Luftfeuchtigkeit nach der Taupunkts-Methode s. 34
VI. Die Personenwaage · · • · · · · · s. 39
VII. Die Tretbahn s. 40
. . .
C. Zusammenfassung · · · · · · · · · s. 41
. . .
D. Literaturverzeichnis · · · · · · · · · s. 43
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A. Ein 1 e i tun gun d Pro b 1 e m s tel 1 u n g
Klima-physiologische Untersuchungen haben durch den letzten Weltkrieg
starke Impulse bekommen. Die Ausdehnung der Kriegsführung in tropische
und arktische Gebiete, das Vordringen der Fliegerei in tief-temperierte,
stratosphärische Regionen hat Fragen aufgeworfen: Wo liegt die Erträg
lichkeitsgrenze des Menschen für solche abnormen klimatischen Bedingungen?
- oder: Wie sieht die richtige Kleidung und Ernährung unter diesen Bedin
gungen aus? - u.a. Bei allen Klimawirkungen sind immer 4 Faktoren betei
ligt: Die Temperatur der umgebenden Luft, die Größe der Bewegung dieser
Luft gegenüber dem Menschen, der Feuchtigkeitsgehalt dieser Luft und die
Strahlungstemperatur der umgebenden Flächen. Diese Klimafaktoren können
z.T. unmittelbar schädigend auf die menschliche Haut wirken wie z.B. in
tensive Strahlung oder starke Kälte. Solche unmittelbar schädigenden Wir
kungen sollen außer Betracht bleiben.
Die physiologische Bedeutung des Klimas soll hauptsächlich unter dem Ge
sichtspunkt einer ausgeglichenen Wärmebilanz des Menschen gesehen werden.
Der Mensch, der als Warmblüter gebunden ist, seine Körpertemperatur auf
einem Wert von 37°C konstant zu halten, kann diese Aufgabe nur innerhalb
enger Grenzen der äußeren Klima-Bedingungen lösen. Dabei müssen die Re
gulationsvorgänge des Menschen in zweierlei Richtung wirken: Einmal kann
es das umgebende Klima notwendig machen, die Körpertemperatur gegen eine
zu starke Abkühlung aufrecht zu erhalten, die durch kalte Luft, durch zu
sätzlichen Wind, durch zu geringe Luftfeuchtigkeit oder zu starke Abstrah
lung entsteht. Umgekehrt kann das Klima dazu führen, daß die Körpertempe
ratur über das erträgliche Maß hinaus steigt, weil der Körper die laufend
produzierte Wärme nicht abgeben kann. Diese Gefahr besteht bei zu großer
Bestrahlung, bei zu hoher Lufttemperatur oder hoher Feuchtigkeitssätti
gung der Luft.
Besonderes Interesse verdienen künstliche Klimazustände, die an verschie
denen Arbeitsstätten, z.B. in Fabriken, durch den Produktionsprozeß her
vorgerufen werden. Hierzu gehören Betriebe mit starker Hitzeentwicklung,
besonders die Arbeitsstätten in der Eisen- und Stahlindustrie, Schmieden,
Gießereien, Glashütten, keramischen und ähnlichen Betrieben. Auch die Ge
winnung von Erzen und Kohle in tiefen Schichten zwingt zu Arbeiten in ei
ner Umgebung, die oft durch hohe Lufttemperatur bei hoher Feuchtigkeit
charakterisiert ist.
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Kommt zu der Klima-Belastung eine intensive körpe.rliche Arbeit, die zu
einer hohen Wärmeproduktion im Körper führt, so ist die Erhaltung einer
ausgeglichenen Wärmebilanz weiter erschwert. Man hat längst erkannt, daß
unter der Hitzebelastung die Leistungsfähigkeit des Menschen soweit ein
geschränkt ist, daß eine pausenlose 8-stündige Arbeitszeit nicht mehr
verlangt werden darf. In vielen Betrieben findet eine Ablösung derart
statt, daß 2 Arbeiter sich die Schicht in halbstündigem oder 20-minütli
chem Wechsel teilen. In anderen Betrieben ist die Arbeitszeit auf 6 Stun
den oder weniger eingeschränkt. Diesbezügliche gesetzliche Regelungen
bei Temperaturen über 280C bestehen z.B. im Bergbau. Das sind jedoch mehr
oder weniger empirische und sehr grobe Versuche, die Arbeit den klima
physiologischen Bedingungen anzupassen. Es hat nicht an Versuchen gefehlt,
diese Anpassung zu verfeinern (Gutachten LEHMANN, Gutachten BRÜNER, Ver
suche WYNDHAM). Bei diesen Versuchen bestand immer die Absicht, anstelle
des einen unzureichenden Klima-Maßstabes "Lufttemperatur" eine die phy
siologische Hitzebelastung in allen ihren Komponenten zusammenfassend wer
tende Meßgröße zu setzen. Die bekannteste und am weitesten verbreitete
Skala dieser Art ist die "effektive Temperatur". Bedauerlicherweise ist
aber die "effektive Temperatur" nur für den ruhenden Menschen bestimmt
worden. Versuche, auch am arbeitenden Menschen die Erträglichkeit unter
verschiedenen Klimabedingungen zu ermitteln, sind von EICHNA und Mitar
beitern und WYNDHAM bekannt geworden.
Es fehlen jedoch systematische Untersuchungen über die Dauerleistungsfä
higkeit und die Leistungsfähigkeit in kürzeren Perioden, über die notwen
dige Pausenlänge und Erholungszeit, über die Art und Weise der Erholung,
z.B. über die Frage, ob die Erholung am Arbeitsort unter Hitzebelastung
selbst stattfinden kann. Solche Versuche sind wohl unterblieben, weil es
nicht leicht ist, die Klimabedingungen der Praxis im Laboratorium gradu
ell zu ändern und konstant zu halten. Besonders schwierig lassen sich
Klimazustände reproduzieren, bei denen intensive Wärmestrahlung vorherr
schend ist. Aber auch die Messung der Dauerleistungsfähigkeit, mit ein
wandfreien, objektiven Methoden wurde erst in den letzten Jahren ermög
licht.
Die Frage nach dem Arbeitsklima, das für schwere Arbeiten zuträglich ist,
schließt gleichzeitig die Frage nach de~ individuellen Erträglichkeit un
günstiger Klimabedingungen ein. Auch hierüber ist wenig bekannt geworden.
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Einfache Methoden, die Hitzeverträglichkeit eines Menschen zu erfassen,
fehlen bisher. Neben der angeborenen Hitzeverträglichkeit sind die Men
schen in verschiedenem Maße fähig, sich an ein neues Klima zu akklimati
sieren. Die Grenzen dieser Akklimatisations-Möglichkeiten und die Bestän
digkeit der erreichten Akklimatisierung sind weitere Probleme, die der
Bearbeitung harren.
Der Mensch lebt meist im Klima seiner Kleidung. Die klima-physiologische
Bedeutung der Kleidung steht der der Raum-Klimatisierung daher nicht nach.
Die Textil-Industrie ist heute in der Lage, eine große Variation von Stof
fen aus künstlichen und natürlichen Fasern zu kombinieren, die die ver
schiedensten physikalischen Eigenschaften haben. Die physikalischen For
derungen an die Kleidung, die der Physiologe für einen ruhenden und ar
beitenden Menschen für verschiedene Klimabedingungen zu stellen hat, sind
noch nicht fixiert worden. Hier besteht ein weiteres großes Arbeitsfeld
für die Klima-Physiologie.
B. Die t e c h n i s ehe Ein r ich tun g
der K 1 i m a - A n 1 a g e
I. Über die Arten der Einwirkung der Klimafaktoren auf den Menschen
Die Untersuchung der in der Einleitung aufgezeigten Fragestellungen er
fordert einen Versuchsraum, in dem unabhängig voneinander die 4 Klimafak
toren "Lufttemperatur", "Luftfeuchtigkeit", "Luftbewegung" und "Wärme
strahlung" variiert werden können. Diese beeeinflussen nämlich, jeder in
seiner Art, den Wärmeaustausch zwischen dem Menschen und seiner Umgebung.
Dieser Wärmeaustausch erfolgt hauptsächlich auf folgenden 3 Wegen:
1. Durch Leitung und Konvektion,
2. Durch Verdunstung,
3. Durch Strahlungsaustausch.
1. Der Wärmeaustausch durch Leitung und Konvektion
Befindet sich der Mensch in einer relativ zu ihm ruhenden Luft, so gibt
er an sie Wärme durch einfache Überleitung ab, wenn sie kälter ist und
erhält Wärme zugeleitet, wenn sie wärmer ist als seine Oberfläche. Die
Wärmemenge, die übergeleitet wird, wächst mit der Größe der Temperatur
Differenz zwischen Mensch und Luft. Wenn die Temperatur beider Körper
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gleich ist, wird keine Wärme mehr übergeleitet. Die Wärmeleitung wird na
turgemäß stärker, wenn sich die Luft relativ gegen den Menschen bewegt,
da z.B. für den normalen Fall, daß die Luft kälter als der Mensch ist,
fortlaufend neue kalte Luft (mit großer Temperatur-Differenz gegen den
Menschen) für den Wärmeübergang an den Menschen herankommt und die be
reits am Menschen erwärmte (mit kleiner oder fehlender Temperatur-Diffe
renz gegen den Menschen) fortgeschafft wird. Dieser Wärmetransport durch
die strömende Luft (sog. Konvektion) kann einmal auf natürliche Weise da
durch auftreten, daß die Luft bei Erwärmung leichter (und bei Abkühlung
schwerer) als die übrige Luft der Umgebung wird und nur aus diesem Grund
beginnt zu strömen (sog. freie Konvektion). Wenn die Luft aus anderen
Gründen relativ gegen den Menschen bewegt wird (Wind, Bewegung des Men
schen selbst in ruhender Luft usw.) tritt die sog. erzwungene Konvektion
auf.
2. Der Wärmeaustausch durch Verdunstung
Eine zweite Möglichkeit des Wärmeüberganges vom Menschen auf die Umgebung
besteht darin, daß an der Hautoberfläche Feuchtigkeit verdunstet und dem
Menschen die zur Verdunstung notwendige Verdampfungswärme entzogen wird.
Eine Kühlung des Menschen auf diese Weise ist nur dann möglich, wenn die
die Haut berührende Luft Feuchtigkeit aufnehmen kann, d.h. nicht feuch
tigkeitsgesättigt ist. Sie wird naturgemäß durch eine Bewegung der Luft
relativ zum Menschen (fortlaufende Zufuhr trockenerer Luft) verstärkt.
(In Sonderfällen, bei Temperaturen einer sehr feuchten Luft über 37°C,
kann es auch vorkommen, daß durch Kondensation von Luftfeuchtigkeit auf
der Körperoberfläche dem Menschen Wärme zugeführt wird).
3. Der Wärmeaustausch durch Strahlungsaustausch
Die dritte Möglichkeit des Wärmeübergangs ist die durch Strahlungsaus
tausch. Jeder Körper sendet bekanntlich eine sog. Temperatur- oder Wärme
strahlung aus, deren Leistung (L) proportional der Größe (F) der Oberflä
che und einer für jeden Stoff typischen Konstanten (c = sog. Strahlungs
zahl) und proportional der 4. Potenz der absoluten Temperatur des Körpers,
also
4
L = c • F • T
ist (STEFAN-BOLTZMANN'sches Gesetz). Stehen sich 2 Flächen von verschie-
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dener Temperatur gegenüber, so gleichen sich, auch ohne daß zwischen ihnen
eine Wärmeleitung stattfindet, im Laufe der Zeit ihre Temperaturen aus.
geschieht dadurch, daß sowohl die wärmere Fläche der kälteren als
Di~s
auoh die kältere der wärmeren Energie zustrahlt, daß jedoch der erstere
Vorgang den zweiten überwiegt. In praktischer Hinsicht bedeutet das z.B.,
daß ein Mensch mit einer Oberflächentemperatur von 32°C in einem Raum mit
einer Wandtemperatur von 20°C fortlaufend an die Wände Wärme verliert,
weil er ihnen (wegen seiner höheren Temperatur) mehr Wärme zustrahlt als
er von ihnen (wegen ihrer niedrigeren Temperatur) zugestrahlt bekommt.
Diese Strahlungsbilanz kehrt sich um, wenn die den Menschen umgebenden
Flächen eine höhere Temperatur als seine Oberfläche haben: Ein Mensch,
der z.B. vor einer Ofenwand von 100°C Temperatur steht, erhält von ihr
mehr Strahlung als er ihr abgeben kann.
Da bei den verschiedenen Klimazuständen jeder dieser Wärmeübergänge ge
trennt in verschiedener Richtung und Stärke die Gesamtwärmebilanz des
menschlichen Körpers beeinflussen kann, ist eine umfassende Kenntnis der
Gesamteinwirkung des Klimas auf den Menschen nur durch ein Studium des
menschlichen Verhaltens bei Einzelvariation jedes Faktors zu erhalten.
11. Das Prinzip der Herstellung ungleicher Luft- und
Strahlungstemperaturen im Versuchsraum
Die gegenseitig unabhängige Variation der Lufttemperatur, der Luftfeuch
tigkeit und der Luftbewegung ist ohne besondere Schwierigkeit in einem
Versuchsraum verhältnismäßig einfacher Bauart möglich und oft mit gutem
Erfolg durchgeführt worden. Eine Klimakammer, die diese Aufgabe erfüllt,
ist im Prinzip ein Raum mit einer Öffnung in einer der Begrenzungsflä
chen, durch die Luft mit bestimmter Temperatur und Feuchtigkeit in den
Raum eintritt, ihn mit bestimmter Geschwindigkeit durchströmt und durch
eine zweite Öffnung wieder verläßt. Die Oberflächen der Wände nehmen in
einem solchen Raum nach einiger Zeit eine der durchströmenden Luft glei
che oder nur wenig davon abweichende Temperatur an und strahlen dann in
entsprechender Stärke. Eine von der Lufttemperatur abweichende Strahlungs
temperatur durch Beheizung oder Kühlung der Wände ist jedoch in einem ge
wöhnlichen Raum nur unvollkommen und bei gleichzeitiger Störung der Re
gulation der übrigen Klimafaktoren zu erreichen. Zum besseren Verständnis
dieser Störungen wurde schematisch in Abbildung 1 dargestellt, welche
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Vorgänge in einem Raum ablaufen, wenn - zunächst ohne Ventilation des
Raumes - eine Wand anders als die Luft temperiert ist.
Luftströmung mit
Wärmeabgabe der
Luft an die Wand
Strahlungsbilanz
Strahlungsbilanz
......
~
Luftströmung mit
Wärmeverlust der
Wand an die Luft
Wandtemperatur höher Wandtemperatur tiefer
als Lufttemperatur als Lufttemperatur
A b b i 1 dun g 1
Vorgänge an einer senkrechten Wandfläche bei Berührung
mit einer anders temperierten Luft
An einer Wand, die wärmer als die Luft ist (Abb. 1, links), kommt es zu
einem Temperaturausgleich zwischen Wand und Luft mit folgenden Vorgängen:
1. Auftreten einer unkontrollierbaren Luftströmung im Raum (die kältere
Luft, die sich in Kontakt mit der wärmeren Wand befindet, wird aufge
heizt und dadurch spezifisch leichter. Sie strömt an der Wand aufwärts
und unter der Decke zur Raummitte hin unter Wärmeabgabe an die Decke.
Da gleichzeitig besonders unten fortlaufend kalte Luft zur wärmeren
Wand nachströmt, kommt es zu einer Luftzirkulation im Raum).
2. Abkühlung der Wand (als unmittelbare Folge der Berührung mit der käl
teren Luft).
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3. Aufheizung der Luft (als unmittelbare Folge der Berührung mit der wär
meren Wand).
4. Abnahme der relativen Luftfeuchtigkeit (als Folge der Aufheizung der
Luft bei Konstantbleiben der absoluten Feuchtigkeit).
5. Ungleichmäßige Temperaturverteilung auf der Wandoberfläche mit ent
sprechend ungleichmäßiger Strahlung (als Folge der Tatsache, daß die
Wand in ihren unteren Bereichen immer mit kälterer Luft in Berührung
kommt als oben und daher unten mehr Wärme verliert als oben).
6. Ungleichmäßige Temperatur der Raumluft (als Folge der partiellen Auf
heizung der Raumluft an der wärmeren Wand).
Wenn im umgekehrten Fall (Abb. 1, rechts) eine Wand kälter als die Luft
temperatur ist, laufen - wiederum bedingt durch den Temperaturausgleich -
die folgenden Vorgänge ab:
1. Auftreten einer unkontrollierbaren Luftströmung im Raum (die wärmere
Luft in unmittelbarer Nähe der kälteren Wand kühlt sich an ihr ab,
wird spezifisch schwerer und sinkt nach unten. Durch die von oben zur
Wand hinströmende warme Luft bildet sich ein - umgekehrt wie oben be
schrieben gerichteter - zirkulierender Luftstrom aus).
2. Erwärmung der Wand (als Folge der Berührung mit der wärmeren Luft).
3. Abkühlung der Luft (als Folge der Berührung mit der kälteren Wand).
4. Zunahme der relativen Luftfeuchtigkeit (als Folge der Abkühlung der
Luft, bei Konstantbleiben der absoluten Feuchtigkeit).
a) u.U. Erreichen des Sättigungswertes der Luftfeuchtigkeit und Kon
densation von Wasser an der kalten Wand (als Folge einer Abkühlung
der Luft bis zum Taupunkt oder unter ihn).
5. Ungleichmäßige Temperaturverteilung auf der Wandoberfläche mit ent
sprechend ungleichmäßiger Strahlung (als Folge der in den oberen Be
reichen der Wand stärkeren Erwärmung der Wand durch die wärmere Luft).
6. Ungleichmäßige Temperierung der Raumluft (als Folge der partiellen Ab
kühlung der Raumluft an den kälteren Wänden).
Ohne weitere Maßnahmen laufen diese Vorgänge bis zum Ausgleich von Wand
und Lufttemperatur ab. Um eine konstante Temperatur-Differenz zwischen
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