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Personalized environmental comfort systems

Warthmann, Alexander Christoph^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Alexander Warthmann

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
van Treeck, Christoph Alban (Thesis advisor)^RWTH* ; Schweiker, Marcel (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-05-27

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-05297
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1013035/files/1013035.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl für Energieeffizientes Bauen (312410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
contact areas (frei) ; equivalent contact temperature (frei) ; equivalent temperature (frei) ; local thermal comfort (frei) ; personalized environmental control (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Traditionelle Klimatisierungssysteme für Innenräumen konditionieren überwiegend das gesamte Raumvolumen, um ein angenehmes Innenraumklima zu schaffen. Im Gegensatz dazu arbeiten personalisierte Systeme zur Umgebungs- und Komfortsteuerung (PECS) lokal in unmittelbarer Nähe zum Nutzer und verbessern gezielt das Mikroklima. Sie wirken schneller als zentrale Raumklimatisierungssysteme und erlauben durch die Erzeugung kontrollierter Mikroklimata eine Lockerung der Vorgaben an zentrale Klimatisierungssysteme, was bedeutende Energieeinsparungen ermöglicht. Aktuell geltende Normen zur Sicherstellung behaglicher Innenraumbedingungen berücksichtigen PECS bislang nur unzureichend. Die zugrunde liegenden Komfortmodelle fokussieren insbesondere den globalen thermischen Komfort des gesamten Körpers und setzen oft homogene Raumklimata voraus. Lokale Bedingungen werden nur begrenzt berücksichtigt, wie in ISO 14505-2 (2007) mit dem Äquivalenttemperaturmodell. Dieses Modell ist ausschließlich auf Nichtkontaktbereiche ausgelegt und daher ungeeignet zur Bewertung von PECS im Kontaktbereich, wie Sitzheizung oder Sitzbelüftung. Das hier vorgestellte Äquivalentkontakttemperaturmodell schließt die Lücke in der Komfortmodellierung, indem es die Wärmetransferprozesse in Kontaktbereichen explizit berücksichtigt. Die Berechnung der Äquivalentkontakttemperatur erfolgt so, dass der kumulierte Wärmetransfer zwischen Haut und Kontaktbereich in realer und äquivalenter Umgebung identisch ist. Dieses Modell ergänzt das zuvor beschriebene Äquivalenttemperaturmodell. Das Modell wurde sowohl unter Sommerbedingungen mit Sitzbelüftung als auch unter Winterbedingungen mit Sitzheizung untersucht. Dabei wurden spezifische Komfortschemata abgeleitet, die die Interpretation der Äquivalentkontakttemperaturen ermöglichen. Die Integration in einen Regelungsansatz personalisierter Systeme erlaubt eine komfortbasierte Regelung von PECS, wodurch das Modell eine wichtige Grundlage für die Weiterentwicklung von PECS bietet. Lokale Klimatisierungssysteme wurden bislang überwiegend unter Laborbedingungen untersucht, wobei die Ergebnisse aufgrund vereinfachter Annahmen nur begrenzt auf reale Anwendungsfälle übertragbar sind. Eine Feldstudie zum Einsatz eines nutzergesteuerten PECS, bestehend aus Sitzheizung, Untertischheizung und Tischheizmatte, zeigte, dass dieses zur Kompensation kühler Umgebungsbedingungen in Büroräumen akzeptiert wird. Die Teilnehmenden tolerierten die kühlen thermischen Umgebungsbedingungen und nutzten das System aktiv, um ihren individuellen Komfort zu verbessern. Gleichzeitig zeigen die Ergebnisse, dass das PECS zur Steigerung des Komforts erweitert werden sollte, beispielsweise durch eine Fußheizung, und dass eine komfortorientierte Regelung individuelle Präferenzen berücksichtigen sollte.

Traditional HVAC systems primarily condition the entire room air volume to achieve comfortable indoor conditions. In contrast, PECS operate locally, close to the user, improving the immediate microclimate. These systems respond more rapidly than traditional centralized HVAC and, by creating controlled microclimates, reduce the requirements placed on central HVAC, resulting in substantial energy-savings. Current standards for maintaining comfortable indoor conditions insufficiently address PECS. Underlying comfort models predominantly focus on global thermal comfort of the whole body under uniform indoor conditions, offering limited consideration of localized thermal effects. The equivalent temperature model in ISO 14505-2 (2007) is designed exclusively for non-contact areas and is therefore unsuitable for evaluating PECS operating in contact areas, such as seat heating and seat ventilation. The presented equivalent contact temperature model addresses this gap in comfort modeling by explicitly considering heat transfer processes in contact areas. The equivalent contact temperature is calculated to ensure that cumulative heat transfer between skin and contact area is identical in both real and equivalent environment. Complementing the equivalent temperature model, it has been tested under summer conditions with seat ventilation and winter conditions with seat heating. Derived comfort schemes provide a framework for interpreting equivalent contact temperature values. When integrated into a control framework, this model enables a comfort-driven control of PECS, making it a vital foundation for advancing PECS. Local PECS have predominantly been investigated under laboratory conditions, where simplified assumptions limit the transferability of results to real-world scenarios. A field study on a user-controlled PECS, including seat heating, under-desk heating plate, and on-desk heating plate, has demonstrated its acceptance as compensatory solution in cold office environments. The participants accepted the cold thermal conditions and frequently used the system to enhance their individual comfort. At the same time, the findings emphasize the need for additional modules, such as foot heating, to further enhance individual comfort. They also highlight that comfort-driven control should account for individual preferences.

OpenAccess:
PDF
(additional files)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT031174833

Interne Identnummern
RWTH-2025-05297
Datensatz-ID: 1013035

Beteiligte Länder
Germany