Übungen Herbstsemester Persönliche Angaben. Bitte dieses Blatt mit Übung 01 in einer Sichtmappe am Montag bis Uhr abgeben.

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1 Bautechnologie III Herbstsemester 2007 Professur für Bauphysik HIL E 47.2 Doz. Dr. Heinrich Manz Nikolai Artmann, dipl. Ing. TUM Markus Ettlin, dipl. Arch. ETH Katrin Leuenberger, dipl. Arch. ETH Andreas Rubin, dipl. Arch. EPFL Stephan Rutz, dipl. Arch. ETH A R C H Anmeldung Übungen HS 2007 Übungen Herbstsemester 2007 Name Vorname Leginummer Persönliche Angaben Bitte dieses Blatt mit Übung 01 in einer Sichtmappe am Montag bis Uhr abgeben. Professur für Bauphysik ETHZ Seite 1

2 Name: Vorname: (auch auf allen Lösungsblättern angeben) Bautechnologie III Herbstsemester 2007 Professur für Bauphysik HIL E 47.2 Doz. Dr. Heinrich Manz Nikolai Artmann, dipl. Ing. TUM Markus Ettlin, dipl. Arch. ETH Katrin Leuenberger, dipl. Arch. ETH Andreas Rubin, dipl. Arch. EPFL Stephan Rutz, dipl. Arch. ETH A R C H Übung 01 Ausgabe: Montag, Thermische Behaglichkeit Abgabe: Montag, , Uhr Aufgabe 1: Die menschliche Wärmeempfindung und der Einfluss der Bekleidung (obligatorisch) Unter normalen Bedingungen (ruhig sitzend) produziert eine Person eine Wärmeleistung von ca. 104 W. Bei einer Körperoberfläche von 1.8 m 2 beträgt die Wärmestromdichte q = 58.0 W/m 2 = 1.0 met (BT III, Fig. 5.11). Die Kerntemperatur beträgt 37 C, die Hautoberflächentemperatur 34 C. a) Wie gross ist folglich der Wärmewiderstand zwischen Kern und Hautoberfläche? b) Wenn man annimmt, dass Luft- und umgebende Oberflächentemperaturen etwa gleich sind, so kann man h c und h r zu einem Gesamtwärmeübergangskoeffizienten h = 8 W/m 2 K addieren. Wie gross ist der entsprechende Wärmeübergangswiderstand? c) Die Umgebungstemperatur betrage 15 C. Wie gross muss demnach der Gesamtwiderstand zwischen Kern und Umgebung sein, damit der oben angegebene Wert der Wärmestromdichte nicht überschritten wird? d) Wie gross muss der Widerstand der Bekleidung sein, damit dieser Wert erreicht wird? e) Welcher Kleidung, respektive wievielen "clo's", entspricht dies? Bemerkung: Der clo-wert 1 entspricht einem Bekleidungswiderstand von m 2 K/W (BT III, Fig. 5.10). Aufgabe 2: Kleidung für Motorradfahrer (obligatorisch) Es gelten die gleichen Ausgangsdaten wie in Aufgabe 1: Kerntemperatur 37 C, Hautoberflächentemperatur 34 C, mittlere Wärmestromdichte q = 58.0 W/m 2. Der notwendige Wärmewiderstand und damit der clo-wert der Bekleidung soll unter folgenden Randbedingungen berechnet werden: Aussenlufttemperatur θ L = Temperatur der atmosphärischen Gegenstrahlung = 10 C. Fahrgeschwindigkeit v = 55 km/h a) Wie gross muss der Gesamtwiderstand zwischen Kern und Aussenwelt sein? b) Wie gross ist der Widerstand des Körpers, also der Widerstand zwischen Kern und Hautoberfläche? c) In groben Näherung kann der Wärmeübergangskoeffizient für Konvektion mit h c = 8.1 v 0.6 ermittelt werden (BT III, S. 29). Der Wärmeübergangskoeffizient für Strahlung sei h r = 5.13 W/m 2 K. Berechnen Sie daraus den Gesamtwert des Wärmeübergangskoeffizienten und dann den Übergangswiderstand zwischen Kleideroberfläche und Aussenwelt. Professur für Bauphysik ETHZ Seite 1

3 d) Wie gross muss folglich der Wärmewiderstand der Bekleidung gewählt werden und wie gross ist dann der clo-wert? e) Wie gross wird der Gesamtwiderstand bei der doppelten Geschwindigkeit und wie gross ist dann die Wärmestromdichte, falls die Kerntemperatur bei 37 C bleibt und θ L = 10 C? f) Wie gross ist der Gesamtwiderstand und die Wärmestromdichte, wenn der Motorradfahrer absteigt (konvektive Übergangszahl in diesem Fall h c = 3.2 W/m 2 K)? Aufgabe 3: Optimale Raumtemperatur im Labor (obligatorisch) In einem Labor tragen die Arbeitenden eine Kleidung, die bezüglich Wärmewiderstand einer Hausbekleidung im Winter entspricht. Man kann annehmen, dass stehend leichte Tätigkeiten durchgeführt werden. Wie gross ist die optimale Raumtemperatur sowie der Toleranzbereich der Temperatur, innerhalb welcher die Bedingung PPD < 10% erfüllt ist? Verwenden Sie die Figur und die Tabelle im Anhang für Ihre Lösung. Aufgabe 4: Grenzschicht am Fenster (fakultativ) Grosse Fensterflächen mit älteren Isolierverglasungen weisen im Winter relativ niedrige Oberflächentemperaturen auf. Dies führt zur Ausbildung einer Grenzschicht, welche entlang der Glasfläche nach unten strömt. Um zu verhindern, dass die kalte Grenzschicht den Boden erreicht und ihm entlang zu den Füssen gelangt, werden unter dem Fenster Fensterbretter installiert (Bild links), welche die Grenzschicht frühzeitig in die Raumluft hinein umlenken und damit unwirksam machen sollen. Welche Folgen hat es, wenn das Fensterbrett (Bild rechts) um rund 10 cm vom Fenster in Richtung Innenraum abgesetzt wird? Professur für Bauphysik ETHZ Seite 2

4 Aufgabe 5: Grenzschicht und Wärmestrahlung (fakultativ) Sie stehen in ca. 1 m Entfernung vor einer grossen, schlecht isolierenden Verglasung mit einer Oberflächentemperatur von 8 C. Beurteilen Sie die Auswirkung auf ihre Behaglichkeit: Wie wirken sich Wärmestrahlung und Grenzschichtströmung aus? Aufgabe 6: Grenzschicht und Wärmestrahlung (fakultativ) Ein Wohnraum hat eine grossflächige, bis zum Boden reichende Verglasung. Der Raum wird durch eine Bodenheizung beheizt. Die Bewohnerin beklagt sich über "Zugerscheinungen am Kreuz", welche immer dann auftreten, wenn sie nicht allzuweit von der Verglasung weg am Boden sitzt. a) Wo liegt das Problem? b) Wie könnte die Situation verbessert werden? Aufgabe 7: Wärmestrahlung (fakultativ) Beurteilen Sie die folgende Behauptung: Dunkel angestrichene Oberflächen erhitzen sich unter Sonneneinstrahlung besonders stark, deshalb strahlen sie auch wieder wesentlich mehr (Infrarot!) ab als weisse Oberflächen. Aufgabe 8: Wärmestrahlung (fakultativ) Ein Hochbauzeichner beklagt sich, dass er bei der Arbeit am Schreibtisch immer kalte Hände habe. Die Untersuchung des Haustechnik-Ingenieurs zeigt, dass betreffend Lufttemperatur, Strömungsgeschwindigkeit und Turbulenz alle Bedingungen eingehalten werden. a) Wo könnte bauphysikalisch gesehen das Problem liegen? b) Wie könnte dem Hochbauzeichner geholfen werden? Professur für Bauphysik ETHZ Seite 3

5 Anhang Optimale Raumtemperatur θ R in Abhängigkeit der Tätigkeit und der Bekleidung (SIA 180). Die schraffierten bzw. weissen Bereiche geben die Temperaturtoleranz an, innerhalb welcher die Bedingung PPD < 10% erfüllt ist (PPD = Predicted Percentage of Dissatisfied PPD, deutsch: Erwarteter Prozentsatz der Unzufriedenen). Art der Bekleidung clo m 2 K/W - Nackt, stehend Shorts, Badeanzug Typische Tropenbekleidung: Slip, kurzärmliges Hemd/Bluse mit offenem Kragen, Shorts, leichte Socken und Sandalen - Leichte Sommerbekleidung: Slip, kurzärmliges Hemd/Bluse mit offenem Kragen, leichte lange Hose oder Jupe, leichte Socken und Schuhe - Leichte Arbeitsbekleidung: Leichte Unterwäsche, kurzärmliges Hemd/Bluse mit offenem Kragen, Arbeitshose, Socken und Schuhe - Hausbekleidung im Winter: Unterwäsche, langärmliges Hemd/Bluse, Pullover mit langen Ärmeln, Hose oder Jupe, dicke Socken und Schuhe - Traditionelle Winterbekleidung: Unterwäsche mit langen Ärmeln und Beinen, langärmliges Hemd, Anzug mit Hose, Gilet und Weste oder Kleid, dicke Socken und Schuhe - Warme Winterbekleidung Wärmedämmwerte verschiedener Bekleidungen (SIA 180). Professur für Bauphysik ETHZ Seite 4