Vorhersage der Schimmelpilzgefahr bei einem Wasserschaden
- Einleitung und Zielsetzung
- Funktionsweise des Vorhersagemodells
- Anwendungsbeispiel für das biohygrothermischen Modells
- Durchführung der Untersuchungen
- Ergebnis der Berechnung und Schlussfolgerung
- Zusammenfassung
- Literatur
1. Einleitung und Zielsetzung
Obgleich sich in den letzten Jahrzehnten der energetische Standard von Häusern erheblich verbessert hat, häufen sich Berichte über Bauschäden durch Schimmelpilze. Die Gefährdung für den Bewohner besteht dabei in einer Besiedelung durch krankmachende Mikroorganismen. Der Einsatz von Bioziden bringt, vor allem im Innenraum, zusätzliche Gesundheitsrisiken mit sich und kann Schimmelpilzbildung meist nur über eine begrenzte Zeit verhindern. Die gesundheitlichen Gefahren, die von Schimmelpilzen auf Bauteiloberflächen ausgehen, erfordern daher konsequente Maßnahmen zu deren Vermeidung. Dabei muss eine bauphysikalische Verhinderungsstrategie im Vordergrund stehen, die von den Wachstumsvoraussetzungen von Schimmelpilzen, d.h. den Randbedingungen, unter denen mit Pilzwachstum gerechnet werden muss, ausgeht und die instationären Vorgänge in Gebäuden berücksichtigt. In [1] wurde ein Verfahren entwickelt, das die Vorhersage auf Basis der biologischen Wachstumsvoraussetzungen von Schimmelpilzen bei instationären Randbedingungen ermöglicht. Das neue Verfahren besteht aus zwei aufeinander aufbauenden Vorhersagemodellen, nämlich dem Isoplethenmodell und dem instationären biohygrothermischen Modell. Anhand eines Beispiels für einen Wasserschaden wird das Beurteilungsverfahren erläutert.
nach oben
2. Funktionsweise des Vorhersagemodells
Es hat sich gezeigt, dass die drei wesentlichen Wachstumsvoraussetzungen „Temperatur, Feuchte und Substrat“ über eine bestimmte Zeitperiode simultan vorhanden sein müssen, um Pilzwachstum zu ermöglichen [1]. Das Isoplethenmodell bewerkstelligt auf der Basis von Isoplethensystemen die Ermittlung der Sporenauskeimungszeiten und des Myzelwachstums, wobei auch der Substrateinfluss bei der Vorhersage der Schimmelpilzbildung berücksichtigt wird. Ein Isoplethensystem beschreibt die hygrothermischen Wachstumsvoraussetzungen eines Pilzes. Es besteht aus einem von der Temperatur und der relativen Feuchte abhängigen Kurvensystem, den sog. „Isoplethen“, die zur Vorhersage von Sporenkeimung Auskeimungszeiten (Bild 1 oben) und im Falle der Beschreibung des Myzelwachstums Wachstum pro Zeiteinheit (Bild 1 unten) darstellen.
Zwischen einzelnen Pilzspezies ergeben sich bei den Wachstumsvoraussetzungen
signifikante Unterschiede. Daher wurden bei der Entwicklung allgemein gültiger Isoplethensysteme nur Pilze berücksichtigt, die in Gebäuden auftreten und gesundheitsbeeinträchtigend sind. Für diese etwa 200 Spezies sind quantitative Angaben zu den Wachstumsparametern Temperatur und Feuchte zusammengestellt worden [1].
Die im Bild 1 gezeigten Isoplethensysteme berücksichtigen die Wachstumsvoraussetzungen der Pilze, für die ausreichende Literaturdaten zur Verfügung standen. Die sich dabei ergebenden untersten Grenzen möglicher Pilzaktivität werden LIM (Lowest Isopleth for Mould) genannt. Die linken Isoplethensysteme im Bild 1 zeigen die Wachstumsvoraussetzungen für optimalen Nährboden. Um den Einfluss des Substrats, also des Untergrundes oder ggf. eventueller Untergrundverunreinigungen, auf die Schimmelpilzbildung berücksichtigen zu können, werden Isoplethensysteme für zwei Substratgruppen (Grenzkurve LIMBau) vorgeschlagen, die aus experimentellen Untersuchungen abgeleitet wurden. Dazu erfolgte in [1] eine Definition von Substratgruppen, denen unterschiedliche Untergründe zugeordnet werden:
Substratgruppe O:
Substratgruppe I:
Substratgruppe II:
zu Bild 1:
Im Fall einer starken Verschmutzung sollte stets die Substratgruppe I zugrunde gelegt werden. Mithilfe dieser Isoplethensysteme können für Angaben der Temperatur und relativen Feuchte entweder die Sporenauskeimungszeiten oder das Myzelwachstum ermittelt werden, wie im Folgenden erläutert werden soll.
Um einen Vergleich der biologischen Wachstumsvoraussetzungen mit den errechneten hygrothermischen Bedingungen zu ermöglichen, müssen die ermittelten instationären Verläufe von Temperatur und relativer Feuchte in der Bauteiloberfläche mit den Angaben der Sporenauskeimungszeiten bzw. des Myzelwachstums in den entsprechenden Isoplethensystemen verglichen werden. Die Wachstumsbedingungen, welche durch die z.B. auf einer Innenseite einer Außenwand auftretenden zeitlichen Verläufe von Temperatur und relativer Feuchte charakterisiert werden, dienen als Eingangsdaten. In [3] finden sich zahlreiche Anwendungsbeispiele für dieses Isoplethenmodell.
Das vorgestellte Isoplethenmodell kann eine durch Trockenperioden auftretende Austrocknung bzw. ein Absterben der Sporen nicht berücksichtigen. Um auch diese Effekte korrekt beschreiben zu können, wurde in [1] das auf dem Isoplethenmodell aufbauende, biohygrothermische Modell entwickelt. Dieses soll im Folgenden beschrieben werden.
Der Wassergehalt einer Spore wird sicherlich auch durch biologische Vorgänge mitgesteuert, für die allerdings der derzeitige Kenntnisstand bei weitem nicht ausreichend ist, um sie zu modellieren. Man kann aber davon ausgehen, dass erst ab einem gewissen Grenzwassergehalt die Spore anfängt zu keimen und damit biologische Stoffwechselvorgänge beginnen. Bis dahin kann die Spore als nichtlebendes Material betrachtet werden, dessen Eigenschaften mit physikalischen Gesetzmäßigkeiten beschrieben werden können. Das biohygrothermische Modell betrachtet die Entwicklung der Spore bis zu diesem Zeitpunkt. Die Spore kann aufgrund der Abmessungen isotherm betrachtet werden, somit können Flüssigtransportvorgänge (z. B. kapillares Saugen) der Diffusion zugeschlagen werden. Unter diesen Annahmen sind für die Berechnung des Feuchtehaushalts einer Spore als Materialkennwerte nur die Feuchtespeicherfunktion und der feuchteabhängige Wasserdampfdiffusionswiderstand der Sporenwand erforderlich.
Bild 2 zeigt schematisch einen Wandaufbau mit an der Innenoberfläche anhaftender Spore (stark vergrößert). Im biohygrothermischen Modell wird die Pilzspore als ein „biologischer“ Wandaufbau betrachtet. Eine gleichzeitige Berechnung der Spore als „Bauteilschicht vor der Wand“ ist aber nicht möglich, da die Spore in diesem Fall für die Wand einen (der Realität widersprechenden) hohen Diffusionswiderstand bewirken würde. Deshalb erfolgt in einem ersten Schritt die reine Berechnung des Feuchtehaushalts der Wand. Die Berechnungen erfolgen mit dem hygrothermischen Rechenverfahren WUFI [4].
Die berechneten Klimaverläufe der Bauteiloberfläche werden in einem zweiten Berechnungsschritt als Randbedingung für die biohygrothermischen Berechnung der „Modellspore“ verwendet. Es wird beim Vorhersagemodell davon ausgegangen, dass es einen Grenzwassergehalt gibt, ab dem es in der Spore zur Keimung kommt. Wird dieser Wassergehalt in der Spore erreicht oder überschritten, ist mit Schimmelwachstum zu rechnen.
zu Bild 2:
nach oben
3. Anwendungsbeispiel für das biohygrothermischen Modells
Beim Umbau eines öffentlichen Gebäudes ist bei der vorgeschriebenen mehrfachen Dichtheitsprüfung der milchsäurebeständigen Abdichtung durch Fluten über Undichtheiten Wasser in den Bodenaufbau des angrenzenden Küchenbereichs gelangt. Bild 3 zeigt eine schematische Ansicht des Wand- und Deckenaufbaus. Das eingedrungene Wasser befindet sich unterhalb einer Abdichtung, die einen kapillaren Flüssigtransport nach oben ausschließt und einen hohen Diffusionswiderstand aufweist. Aus diesem Grund kann die Feuchte nicht in den Küchenboden nach oben steigen und Schäden verursachen. Ungeklärt ist allerdings, ob das Wasser in der aufstrebenden Wand aufsteigen und dort zu Schimmelpilzwachstum führen kann oder ob an der Unterseite des Küchenbodens bzw. der Decke des darunterliegenden Raums Schimmelpilzwachstum zu befürchten ist. Mit Hilfe zweidimensionaler Berechnungen des Wärme- und Feuchtetransports und der Anwendung des biohygrothermischen Modells soll darauf eine Antwort gefunden werden.
nach oben
3.1 Durchführung der Untersuchungen
Die Oberflächentemperaturen und –feuchten, welche die maßgeblichen Kriterien für das Risiko eines Schimmelpilzbewuchses darstellen [2], werden mit dem Programm WUFI 2D [4] für einen Zeitraum von einem Jahr nach der Befeuchtung des Bodens berechnet. Der Aufbau des Küchenbodens wird mit der für die Berechnung notwendigen Genauigkeit in WUFI 2D implementiert, wobei die in der WUFI-Materialdatenbank vorhandenen feuchte- und wärmetechnischen Materialkennwerte zugrunde gelegt werden.
Für die Beurteilung der Gefahr eines Schimmelpilzbewuchses mit dem biohygrothermischen Modell werden die berechneten Oberflächentemperaturen und –feuchten an den kritischen Stellen der aufsteigenden Wand auf der Küchenseite und der des angrenzenden Raumes sowie der Decke unterhalb der Küche herangezogen (siehe Monitorpositionen in Bild 3).
zu Bild 3:
Da keine genaue Zustandsanalyse vorliegt, müssen für das eingedrungene Wasser und für die äußeren Randbedingungen Annahmen gemacht werden. Diese wurden so gewählt, dass sie in Bezug auf einen möglichen Feuchteschaden ungünstig, aber gerade noch realistisch sind. Sie werden im Folgenden vorgestellt:
Annahmen für die Berechnung
Es wird davon ausgegangen, dass der Estrich unterhalb der Abdichtungsbahn, die Schutzmatte (Vlies) sowie die oberen zwei Zentimeter der Betondecke komplett mit Wasser gesättigt sind. Bei der vorhandenen Materialdicke bedeutet dies pro Quadratmeter 5 l Wasser im Estrich, 2,3 l Wasser im Vlies und 1,5 l Wasser im angrenzenden Beton mit in der Summe 8,8 l Wasser pro Quadratmeter unterhalb der Abdichtungsbahn. Auf die Grundfläche von 60 m2 bezogen bedeutet dies eine Gesamtmenge eingedrungenen Wassers von etwas mehr als 500 l.
Klimatische Randbedingungen in den Räumen
Im Küchenbereich wird mit 27 °C von relativ hoher Innenraumtemperatur verbunden mit einer hohen Feuchtelast (55 ± 5 % relativer Luftfeuchte (r.F.)) ausgegangen. Der Wärmeübergangswiderstand liegt wie im Raum darunter (Flur) bei 8 W/m2K. Bei einer Ortsbesichtigung bei winterlichem Wetter mit Außentemperaturen unter 0 °C, wurden im Flur Temperaturen von etwa 13 °C und eine niedrige Raumluftfeuchte von 38 % r.F. gemessen. Aus diesem Grund wird hier für die Berechnung von einer konstanten Temperatur von 13 °C und normaler Feuchtelast ausgegangen, obgleich normale Feuchtelasten in der Regel bei diesen Temperaturen kaum erreicht werden. Im Raum neben der Küche soll ein Kühlraum installiert werden, weshalb hier eine Temperatur von 8 °C angesetzt wird.
nach oben
3.2 Ergebnis der Berechnung und Schlussfolgerung
Für die Beurteilung der Gefahr eines Schimmelpilzbewuchses werden die berechneten Oberflächentemperaturen und –feuchten an den kritischen Stellen der aufsteigenden Wand auf der Küchenseite und der des angrenzenden Raumes sowie der Decke unterhalb der Küche herangezogen. Bild 4 zeigt für den Zeitraum von einem Jahr nach Eintreten des Feuchteschadens die berechneten Oberflächentemperaturen (oben) und Oberflächenfeuchten (unten). Es stellt sich aufgrund der konstanten Raumtemperaturen auch auf der Oberfläche eine konstante Temperatur ein. Die höchsten Oberflächentemperaturen und oberflächennahen Luftfeuchten ergeben sich dabei auf der küchenseitigen Wandfläche in der Fuge zwischen den Wandfliesen. Aufgrund der für diesen Bereich gewählten Raumtemperatur von 27 °C erhält man dort eine Oberflächentemperatur von etwa 22 °C. An dieser Stelle tritt im August mit 81 % r.F. auch die höchste Oberflächenfeuchte auf. Deshalb wird mit Hilfe des biohygrothermischen Modells für diesen Bereich das Schimmelpilzrisiko abgeschätzt. Aus Bild 5 ist ersichtlich, dass im August der für die Spore berechnete Wassergehalt den kritischen Wassergehalt überschreitet. Ohne Wasserschaden ergibt sich dagegen kein Schimmelpilzwachstum (nicht dargestellt). Da eine schnelle Trocknung nur durch eine äußerst aufwändige Maßnahme erreicht werden kann, wird stattdessen eine Dämmung der Küchenwand auf der Kühlraumseite mit 5 cm Polystyrol vorgeschlagen, womit sich zusätzlich ein Energiespareffekt ergibt. Durch die damit verbundene Erhöhung der Oberflächentemperatur ergibt sich eine deutlich niedrigere maximale Oberflächenfeuchte von 75 % (Bild 6). Damit ist, wie aus Bild 7 ersichtlich, keine Schimmelpilzbildung mehr zu befürchten.
zu Bild 4:
zu Bild 5:
zu Bild 6:
zu Bild 7:
nach oben
4. Zusammenfassung
Die bisher üblichen Bewertungsmethoden für Schimmelpilzbefall gehen in der Regel von stationären Randbedingungen aus. Während in den gängigen Angaben in Deutschland meist nur die relative Feuchte als Kriterium genannt wird, werden international mittlerweile immer häufiger biologisch gemessene Isoplethensysteme für die Bewertung zugrunde gelegt. Dabei sind temperaturabhängig relative Feuchten genannt, bei deren Überschreitung Schimmelpilzbefall auftreten kann. Das auf dem Isoplethenmodell aufbauende biohygrothermische Verfahren ermöglicht erstmals die Berücksichtigung von sich ändernden Temperaturen und relativen Feuchten und damit verbundene eventuelle Austrocknung der Sporen, indem das hygrothermische Verhalten einer Schimmelpilzspore beschrieben wird. Anhand des Beispiels eines Wasserschadens wird die Leistungsfähigkeit des Modells zur Klärung der Schimmelwachstumsgefahr demonstriert. Damit ist eine Basis geschaffen, die Schimmelpilzgefahr unter instationären Randbedingungen zu berechnen.
nach oben
5. Literatur
[1] Sedlbauer, K.: Vorhersage von Schimmelpilzbildung auf und in Bauteilen.
Diss. Universität Stuttgart (2001).
[2] Reiß, J.; Erhorn, H.: Beurteilung von Feuchteschäden. IBP-Bericht WG
47/1997 des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik, Stuttgart (1997).
[3] Sedlbauer, K.; Krus, M.: Biohygrothermisches Verfahren zur Schimmelpilz-
Vorhersage. Methodische Aspekte, Validierung und exemplarische Anwendungen.
Internationale Zeitschrift für Bauinstandsetzen und Denkmalpflege.
8. Jahrgang, H. 5 (2002), S. 475 - 493.
[4] Künzel, H.M.: Verfahren zur ein- und zweidimensionalen Berechnung des gekoppelten
Wärme und Feuchtetransports in Bauteilen mit einfachen Kennwerten.
Diss. Universität Stuttgart (1994).
nach oben