Raumluftanalyse in Massivholzhäusern

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1 HOCHSCHULE ROSENHEIM Raumluftanalyse in Massivholzhäusern FWPM: Schadstoffe aus Bauprodukten Niklas Precht Stefan Grießhammer Simon Beis Manuel Feuerstein

2 Inhalt 1. Kenntnisstand Ziel... 1 AP1. Probengewinnung... 1 AP2. Analyse der gewonnenen Proben... 1 AP3. Auswertung Probenbeschreibung... 2 Entnahme 1: Schlafzimmer mit Zirbenwand am Entnahme 2: Büro mit Zirbenwänden am Entnahme 3: Rohbau am Messstrategie... 3 Vorbereitung der Probenahme... 3 Durchführung der Probenahme... 3 Lagerung der Proben Messtechnik... 4 Analyse der VOC-Proben... 4 Analyse der Formaldehydproben Messergebnisse... 5 Schlafzimmer... 5 Rohbau... 5 Büro... 5 Formaldehyd-Messung Auswertung... 6 Richtwerte des Umweltbundesamtes (UBA)... 6 Richtwerte der AGÖF... 7 Richtwerte des IBN Fazit... 9

3 1. Kenntnisstand Der Marktanteil an Wohnhäusern in Holzbauweise steigt in Deutschland stetig an. So liegt er im Jahre 2017 bei etwa 16 % (lt. statistischen Bundesamt). Im modernen Holzbau werden neben den in Deutschland schon weitverbreiteten Holzrahmenbauten zunehmend auch Massivholzhäuser, speziell auch ohne Verleimung, errichtet. Neben den Vorteilen dieser Bauweise hinsichtlich Wärme-/Schall- und Brandschutz wird von Herstellern auch das verbesserte Wohnklima angepriesen. Objektive Untersuchungen dieser Raumluft auf mögliche Schadstoffkonzentrationen wurden in der Vergangenheit nur unzureichend durchgeführt. 2. Ziel Im Rahmen der Vorlesung Schadstoffe aus Bauprodukten werden die Formaldehyd- und VOC-Konzentrationen in Massivholzhäusern durch die Untersuchung von Raumluftproben bestimmt. Anschließend erfolgt die Bewertung der Messwerte bezogen auf Empfehlungen für die Luftqualität in Wohnräumen. Zuletzt stellt sich die Frage, ob sich der finanzielle Mehraufwand für leimfreie Produkte, die ausschließlich aus Holz bestehen, lohnt. Die Untersuchungen gliedern sich dabei in drei Arbeitspakete auf. AP1. Probengewinnung Probenentnahme aus der Raumluft (VOCs, Formaldehyd) Dokumentation der vorherrschenden Bedingungen AP2. Analyse der gewonnenen Proben Analyse der einzelnen Stoffe mittels GC/MS Ermittlung der jeweiligen Stoffmengen AP3. Auswertung Ermittlung der Raumluftkonzentrationen Abgleich der Raumluftkonzentrationen mit vorhandenen Richtwerten Ermittlung der Gesamtraumluftkonzentration Bewertung der Ergebnisse 1

4 3. Probenbeschreibung Die Proben wurden ausschließlich in Holz100-Häusern der Firma Thoma genommen. Besonders ist bei diesen Massivholzelementen die leimfreie Verbindung der Lamellen mit Buchendübeln zu erwähnen. Alle Proben wurden in der Raummitte genommen. Entnahme 1: Schlafzimmer mit Zirbenwand am Beschreibung: Die Proben wurden in einem bereits bewohnten Schlafzimmer entnommen. Das Haus wurde 2012 errichtet und besteht aus einer Zirbenwand auf der Westseite und einer Wand aus Lehm im Osten. Die beiden anderen Wände bestehen genau wie die Decke aus Fichte/Tanne. In dem Zimmer befinden sich zusätzlich eine kleine Kommode und ein großer offener Kleiderschrank. Das Abbildung 1: Schlafzimmer letzte Mal wurde eine Stunde vor Beginn der Messungen gelüftet. Alle Türen und Fenster waren während der Probenahme geschlossen. Raumvolumen: 69,8 m³; Luftdruck: 976 hpa; ϕaußen: 16 %; ϕinnen: 62 %; Tinnen: 21 C; Taußen: 3 C; Wetter: bewölkt; Windgeschwindigkeit 21 km/h Entnahme 2: Büro mit Zirbenwänden am Beschreibung: Das Büro hat drei Zirbenwände, eine Lehmwand und eine Holzbalkendecke aus Tanne. Außerdem sind drei Tische, eine lange Bank, sechs Stühle, ein Fernseher und ein Computer, sowie mehrere Kissen und ein Grundofen in dem Zimmer vorhanden. Tische sowie der Fußboden bestehen aus Eichenholz. Der Drucker befindet sich separiert in einem kleinen Raum daneben. Die letzte Lüftung erfolgte drei Stunden vor der Messung. Alle Türen und Fenster waren während der Probenahme geschlossen. Abbildung 2: Büro mit Zirbenwände Raumvolumen: 114,5 m 3 ; Luftdruck: 976 hpa; ϕaußen: 16 %; ϕinnen: 61 %; Tinnen: 19 C; Taußen: 7 C; Wetter: bewölkt; Windgeschwindigkeit 21 km/h 2

5 Entnahme 3: Rohbau am Beschreibung: Der Raum im Rohbau befindet sich im OG des Gebäudes. Er enthält drei Wände aus Fichte/Tanne, wie auch eine Decke aus den beiden Nadelhölzern. Die vierte Wand besteht aus noch unverputzten Lehmbauplatten, welche ein paar Tage zuvor montiert wurden. Gelüftet wurde dieser Raum seit einigen Wochen nicht mehr, da die Fenster wegen der Putzarbeiten außen verklebt waren. Für die Messung wurde der Türstock mit PE-Folie abgeklebt, da noch keine Türen eingesetzt waren. Raumvolumen: 32,6 m 3 ; Luftdruck: 976 hpa; ϕaußen: 16 %; ϕinnen: 57 %; Tinnen: 14,3 C; Taußen: 7 C; Wetter: bewölkt; Windgeschwindigkeit 21 km/h 4. Messstrategie Abbildung 3: Rohbau Vorbereitung der Probenahme Vor Beginn der Messungen wurden alle Randdaten, wie relative Luftfeuchte, Temperatur im Raum, als auch Wetter und Windgeschwindigkeit außen aufgenommen. Alle Türen und Fenster wurden geschlossen oder abgeklebt. Ein einheitliches Durchlüften der Räume 24 Stunden vor der Probenahme war aufgrund der Umstände nicht möglich. Hilfsmittel: Meterstab, Thermo-Hygrometer (analog) Lauber, Wetterdienst Wetter.com Durchführung der Probenahme Die Proben wurden mittels Gasprobenehmer entnommen. Hierzu wurde das Gerät in der Raummitte aufgestellt. Die Probenröhrchen wurden unmittelbar vor Beginn geöffnet und im Strömungssinn an den Gasprobennehmer angebracht. Die Zeitnahme erfolgte mit dem Starten der Pumpe. Der Volumenstrom beträgt stets 1,5 L/min. Die optimale Probenahmezeit beträgt hierbei 150 Minuten für VOCs, sowie 30 Minuten für Formaldehyd. Aus dem Volumenstrom und der genauen Messzeit wurde die untersuchte Luftmenge ermittelt. Während der Probenahme wurde der Raum verlassen. Hilfsmittel: Gasprobenehmer GS312 Desaga Aktivkohleröhrchen für die VOC-Messung Silicagelröhrchen für die Formaldehydmessung Abbildung 1: Gasentnahmegerät 3

6 Lagerung der Proben Die Proben wurden nach Durchführung der Messungen mit Kunststoffkappen verschlossen und in einem Kühlschrank bei 7 C gelagert. Nach sechs Tagen wurden sie an das Labor der Hochschule Rosenheim übergeben. 5. Messtechnik Analyse der VOC-Proben Die Stoffe werden mit dem Lösemittel Kohlenstoffdisulfid aus den Aktivkohleröhrchen desorbiert und mittels eines Gaschromatographen über die Retentionszeit aufgetrennt. Mit dem angeschlossenen Massenspektrometer und einer Spektrenbilbiothek werden die Stoffe bestimmt. Um die Konzentrationen der Einzelstoffe zu ermitteln, wird die Kalibrierkurve des Toluols herangezogen. Für die Ermittlung der TVOC-Werte werden die Konzentrationen aufaddiert, wobei nur die Stoffe mit Retentionszeiten zwischen denen von n-hexan und n-hexadecan eingehen. Analyse der Formaldehydproben Aus den Silica-Gel-Röhrchen wird das gebundene Formaldehyd mit 10 ml Wasser gelöst. Anschließend wird die Lösung mit Ammoniumacetat und Acetylaceton versetzt, wodurch sich eine Gelbgrünfärbung ergibt. Durch Ermittlung der Transmission von Licht mit einer Wellenlänge von 412 nm ergibt sich die Konzentration nach dem Lambert-Beer schen Gesetz. Die Formaldehydkonzentration der Lösung muss abschließend auf die bei der Probennahme untersuchten Luftmenge bezogen werden. 4

7 6. Messergebnisse Schlafzimmer Nr. RT / min Fläche Stoff Konzentration / µg/m3 1 12, Toluol 13,9 2 15, meta-, para- Xylol 6,8 3 17, alpha-pinen 115,4 4 19, beta-pinen 10,9 5 20, Caren 13,2 6 20, Limonen 33,7 7 28, Tridecan 5,2 8 29, aromatischer Ester, Holzinhaltsstoff?? 12,1 Rohbau Σ VOC / µg TÄ/m3 211,1 Nr. RT / min Fläche Stoff Konzentration / µg/m3 1 12, Toluol 11,9 2 15, meta-, para- Xylol 6,0 3 17, alpha-pinen 93,7 4 18, Terpen?? 4,4 5 19, beta-pinen 24,2 6 20, Caren 27,7 7 20, Limonen 41,9 Büro Σ VOC / µg TÄ/m3 209,7 Nr. RT / min Fläche Stoff Konzentration / µg/m3 1 12, Toluol 15,1 2 13, Cyclopentanol?? 18,7 3 15, meta- para- Xylol 7,4 4 17, alpha-pinen 190,4 5 18, Terpen?? 7,5 6 19, beta-pinen 13,5 7 20, Caren 24,0 8 20, Limonen 21,4 Formaldehyd-Messung Σ VOC / µg TÄ/m3 298,1 Messwert Berechnet Büro, Zirbe 2,75 μg/10ml 0,061 mg/m³ Rohbau, FI/TA 2,50 μg/10ml 0,056 mg/m³ Schlafzimmer, Zirbe 3,31 μg/10ml 0,074 mg/m³ Messdauer: 30 min; Volumen 45 Liter 5

8 7. Auswertung Für die nachfolgende Bewertung der Messergebnisse werden Richtwerte verschiedener Arbeitsgruppen und Einrichtungen herangezogen. Die wesentlichen Werte sind in den unten eingefügten Tabellen aufgeführt. Dazu zählen die RW-Werte des Umweltbundesamtes, welche sich abgeleitet aus den MAK-Werten bezogen auf eine dauerhafte Exposition ergeben. Weiter wird mit Richtwerten der AGÖF (Arbeitsgemeinschaft ökologischer Forschungsinstitute e.v.) verglichen, die sich zusätzlich auf gemessene Standardwerte beziehen. Zuletzt werden bei der TVOC- und Formaldehydbewertung Vorgaben des IBN (Institut für Baubiologie und Nachhaltigkeit) mit einbezogen. Um eine aussagekräftige Bewertung zu gewährleisten, ist es nötig mehrere Richtwerte zu vergleichen, da sich diese meist deutlich voneinander unterscheiden. Vergleicht man die ermittelten VOC-Konzentrationen untereinander, fällt die Gruppe der Terpene auf. Unter den bicyclischen Terpenen weist die Leitsubstanz α-pinen die größte Konzentration auf, sodass dieser Wert für die folgende Auswertung am relevantesten ist. Der Anteil der α-pinen Konzentration ist von Bedeutung, da hohe Konzentrationen bei Menschen zu Reizungen der Augen und Schleimhäute führen können. Unter den monocyclischen Terpenen wurde mit geringer Konzentration Limonen gemessen, wobei deren Reizwirkung gegenüber der bicyclischen Monoterpene zudem geringer ist. Formaldehyd ist als kanzerogen 1B eingestuft und ist damit bei Menschen vermutlich krebserzeugend. Weiterhin reizt es Augen und Schleimhäute. Aus diesem Grund ist die Bedeutung der Richtwerte nicht zu unterschätzen. Richtwerte des Umweltbundesamtes (UBA) Quelle: Die Richtwerte I und II für Stoffe der Innenraumlauft, Umweltbundesamt ( ) Die Empfehlungen des Umweltbundesamtes unterteilen sich in zwei Richtwerte. Der RW II- Wert wurde aus toxikologischen Studien abgeleitet und stellt eine Konzentration da, ab der dringender Handlungsbedarf besteht. Der RW I-Wert ist in der Regel um eine Zehnerpotenz kleiner und gilt für den Menschen als unbedenklicher Richtwert, auch bei langfristiger Exposition. Liegt die Konzentration zwischen den beiden Werten sollten Vorsorgemaßnahmen ergriffen werden. Betrachtet man alle Zimmer, liegen die Terpen-Konzentrationen im Bereich oder unterhalb des RW I-Wertes von βα-pinen=200 µg/m 3. Auffällig ist trotzdem, dass der Anteil des α-pinens im Bürozimmer ungefähr doppelt so groß ist wie in den anderen Zimmern. Zurückzuführen ist dies auf die Zirbenholzwände, von denen drei im Bürozimmer (βα-pinen=190,4 µg/m 3 ) und 6

9 nur eine im Schlafzimmer (βα-pinen=115,4 µg/m 3 ) vorhanden sind und gar keine im Rohbau (βα-pinen=93,7 µg/m 3 ). Wider Erwarten ist die Konzentration der Terpene im Rohbau geringer, obwohl das Holz frischer ist und vor der Messung nicht gelüftet werden konnte. Die TVOC-Konzentration ist im Schlafzimmer und Rohbau ca. 200 µg/m 3 und damit laut UBA als hygienisch unbedenklich einzustufen, wohingegen die Summe der VOCs im Büro aufgrund des großen Anteils von α-pinen bei 298 µg/m 3 liegt. Damit liegt der Wert genau am Übergang zwischen Stufe eins und zwei. Quelle: Umweltbundesamt ( ) Es ist jedoch immer noch von einem gesundheitlich unbedenklichen Zustand auszugehen, evtl. sollte die Luftwechselrate erhöht werden, um einen weiteren Anstieg auszuschließen. Die gemessen Formaldehyd-Konzentrationen sind in allen Zimmern deutlich unterhalb des RW I-Werte von 0,1 mg/m³ und damit unkritisch laut dem UBA. Sortiert man die Werte der Raumluftmessungen, so ergibt sich die niedrigste Konzentration im Rohbau, was vermutlich auf das Fehlen der Einrichtungsgegenstände zurückzuführen ist. Richtwerte der AGÖF Quelle: AGÖF-Orientierungswerte für flüchtige organische Verbindungen in der Raumluft ( ) Die AGÖF ermittelt die Richtwerte aus mehreren Raumluftmessungen (Anzahl n in der Tabelle), indem P50- und P90-Perzentile berechnet werden. Als Orientierungswert wird schließlich der P90-Wert oder der toxikologisch kritische Wert angegeben. Laut AGÖF sind alle gemessenen Terpen-Einzelkonzentrationen kritisch zu betrachten, wobei die α-pinen-konzentration den Richtwert von 68 µg/m³ im Büro mit Zirbenholz fast um das Dreifache übersteigt. Die übrigen Terpene liegen im Bereich der Orientierungswerte oder übersteigen diese leicht. Die Messwerte liegen alle sehr weit über den P50-Werten, die statistisch einen Mittelwert der Innenraumluftkonzentrationen darstellen. Somit lässt sich die Aussage treffen, dass in Massivholzhäusern die Terpenkonzentration weit über dem Durchschnitt liegt, was im Holzbau zu erwarten war. 7

10 Der TVOC-Richtwert der AGÖF bezieht sich auf die Bewertung des UBA, daher liegt der Messwert von maximal 298 µg/m³ ebenso in einem unbedenklichen Rahmen. Weiter liegt der Messwert nach AGÖF-Angaben sogar unter dem Durchschnittswert (P50-Wert). Im Vergleich zum Formaldehyd-Orientierungswert von 30 µg/m³ ist der gemessene Wert circa doppelt so groß, wobei sich der Orientierungswert auf Messbedingungen bezieht, die geringe Emissionen verursachen (z.b. geringe Temperatur). Aufgrund der klimatischen Bedingungen in den geprüften Räumen, ist eine maßgebende Erhöhung der Konzentrationen (z.b. durch höhere Temperaturen) unwahrscheinlich, sodass die Formaldehyd- Konzentrationen als unkritisch zu betrachten sind. Die Unterschreitung des P90-Wert von 81 µg/m³ zeigt gleichzeitig, dass die Massivholzhäuser keine auffälligen Konzentrationen aufweisen. Richtwerte des IBN Quelle: Baubiologische Richtwerte für Schlafbereiche (Hrsg. IBN; 2015) Bei den Werten des Instituts für Baubiologie und Nachhaltigkeit handelt es sich um Vorsorgewerte, deren Einhaltung man insbesondere in Schlaf- und Aufenthaltsräumen gewährleisten sollte. Sie orientieren sich an Werten, wie sie natürlich vorkommen. Die TVOC-Messwerte sind so nach dem IBN in der Kategorie schwach auffällig ( µg/m³) einzuordnen. Das Institut schlägt hier vor, durch Verbesserung der Werte auf 8

11 empfindliche oder kranke Menschen Rücksicht zu nehmen. Vor allem im Büro (298 µg/m³) ist damit eine ausreichende Lüftung zu empfehlen. Die Formaldehydkonzentrationen liegen hingegen im stark auffälligen Bereich ( µg/m³) und sind damit laut IBN inakzeptabel, sodass eine Sanierung oder verbessernde Maßnahmen notwendig wären. 8. Fazit Es ist erstaunlich, dass die Richtwerte der aufgeführten Institute und Einrichtungen sehr stark voneinander abweichen. Dadurch ist eine eindeutige Bewertung der Raumluft schwierig. Weiterhin sind die klimatischen Bedingungen in die Bewertung mit einzubeziehen, konkret sind Messunterschiede im Sommer und Winter zu beachten. Die Formaldehyd-Vorgaben des IBN liegen weit unter den durchschnittlichen Werten in Innenräumen, wie es am P50-Wert der AGÖF zu erkennen ist. Die Einhaltung der Werte ist dadurch außer Reichwerte, was sich mit unseren Messungen im Rohbau deckt, in dem die Werte bereits ohne Einrichtung überschritten werden. Allgemein ist die Bewertung nach der TVOC-Konzentration ebenfalls kritisch zu betrachten, denn trotz der niedrigen TVOC-Konzentration in den Proberäumen, ist die Einzelterpenkonzentration gleichzeitig hoch. Daher kann nicht ausgeschlossen werden, dass einzelne Personen empfindlich auf die Innenraumluft in Massivholzhäusern reagieren werden. Somit sollten Personen, die den Bezug eines Massivholzhauses in Erwägung ziehen, die Bauweise vorher auf Verträglichkeit testen, zum Beispiel in Probewohnungen, gerade auch im Hinblick auf eine Ausstattung mit Zirbenholz. Ob sich der finanzielle Mehraufwand gegenüber anderen Bauweisen bezogen auf das angepriesene Wohnklima rechnet, kann durch unsere Versuche nicht objektiv beurteilt werden, da die Wirkung auf den einzelnen Menschen nicht vorhergesagt werden kann. Außerdem reicht die isolierte Betrachtung der Raumluftanalyse nicht aus, um ein angenehmes Wohnklima zu beschreiben, hierfür sind weitere Aspekte wie z.b. hygroskopische Eigenschaften, Luftdichtheit und Oberflächentemperaturen von Bedeutung. 9