Untersuchungen in Klimakammern und realen Innenräumen zum Phänomen der Schwarzen Wohnungen

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1 Untersuchungen in Klimakammern und realen Innenräumen zum Phänomen der Schwarzen Wohnungen T. Salthammer, T. Schripp, C. Fauck, P. Meinlschmidt, E. Uhde, M. Wensing Fraunhofer Wilhelm-Klauditz-Institut (WKI) Material Analysis & Indoor Chemistry (MAIC), Braunschweig, Germany H.-J. Moriske Umweltbundesamt, Berlin

2 These: Großflächige oder lokale Schwarzfärbungen sind normale Prozesse und lassen sich auf der Zeitachse von Jahren in jeder Wohnung beobachten. Man spricht vom Phänomen der Schwarzen Wohnungen, wenn diese Prozesse ungewöhnlich schnell, d.h. innerhalb von Tagen bis Wochen ablaufen. Die physikalischen und chemischen Ursachen sind auf beiden Zeitachsen identisch. Quelle: Wikipedia

3 Schwarze Wohnungen: Plötzliche Schwarzfärbung von Zimmerwänden Oft nach Renovierungsarbeiten oder bei Neubezug Zusammensetzung: Staub, SVOC (selten PAK) Tritt bevorzugt an Wärmebrücken auf Keine gesundheitlichen Auswirkungen bekannt

4 Moriske et al., Gefahrstoffe Reinhaltung der Luft (2001): Die optisch sichtbare Schwärzung der Wände wird wesentlich durch (Fein)staubpartikel verursacht. Das Vorhandensein von SVOC an Wandoberflächen begünstigt die Adsorption von Partikeln. Hierbei ist zwischen einem Klebefilmeffekt und einem luftgetragenen Effekt (Fogging) zu unterscheiden. Es konnte bisher nicht abschließend geklärt werden, ob SVOC grundsätzlich zum Auslösen des Phänomens als erster Schritt notwendig sind.

5 Kalte Wandbereiche, Wärmebrücken und die Art der Luftströmung wurden als entscheidende Einflussfaktoren zum Auslösen des Phänomens identifiziert. Entstehung und Intensität des Phänomens hängen im Einzelfall auch vom individuellen Wohnverhalten ab. Einflüsse der Außenluft und VOC-Emissionen spielen im Zusammenhang mit dem Phänomen Schwarze Wohnungen keine Rolle. Das Phänomen entsteht im Allgemeinen innerhalb eines kurzen Zeitraumes (in Tagen bis wenigen Wochen) und kann im Einzelfall länger (Monate) andauern. Zum Zeitpunkt von Messungen ist zur Interpretation zwischen einem aktiven und einem inaktiven Phänomen zu unterscheiden.

6 Schwarze Wohnung Außenluft Dieselruß Verrußung Plötzliche Staubablagerung Staub Fasern RLT-Anlage Wärmebrücken Elektrostatik SVOC PAK SVOC Ruß Verbrennungsprozesse Kerzen Öllampen Kamin Ofenheizung Wohnverhalten Luftwechsel undichte Schornsteine im Mauerwerk Luftfeuchtigkeit Luftströmung Temperaturgradient (innen/außen) Potentielle Primärquellen Bauprodukte Einrichtungsgegenstände Bild: Moriske, Wensing, Salthammer

7 Kaum wissenschaftliche Veröffentlichungen in der referierten Literatur. Einige Zeitschriftenbeiträge (Gefahrstoffe Reinh. Luft) Einige Buchbeiträge Einige Tagungsbeiträge (Indoor Air, Healthy Buildings, AGÖF) Viele Beiträge in Branchenzeitschriften und Internet. Das allgemeine Problem der Schwärzung von Oberflächen Soiling ist aber seit vielen Jahren in der wissenschaftlichen Literatur bekannt: Nazaroff and Cass (1987) particle deposition Nazaroff and Cass (1991) museum collections and soiling Liu et al. (2003) organic film on glass windows

8 F+E-Vorhaben: Untersuchung des Zusammenwirkens einzelner Entstehungsmechanismen des Phänomens Schwarze Wohnungen mittels Prüfkammeruntersuchungen UMWELTBUNDESAMT UFOPLAN 2005 FKZ-Nr

9 Simulation realer Innenraumbedingungen Klimakammer (23 C, 50% RH) Weichmacherquelle: Farbe (dotiert mit 0,5% DEHP/DBP) Konstruierte Wärmebrücke durch ungleichmäßiges Mauerwerk Heizung zur Ausbildung von Gradienten und Strömungen

10 Aufbau Doppelklimakammerexperiment I Fogging (15 C) 23 C, 50% RH 2,5 m 5 C 13 C SVOC Staub IR 3,5 m

11 Aufbau Doppelklimakammerexperiment II Kaltseite Prüfwand Warmseite dotiert

12 Konzentration von DBP in der Gasphase µg/m³ Kammer 1 Kammer 2 Kammer 3 Kammer 4

13 Dotierung der Klimakammer mit Partikeln: Einbringen von Hausstaub (< 63 µm) Einbringen von partikelhaltiger Außenluft Einbringen von Kohlestaub Abbrennen von Kerzen Abbrennen von Öllampen

14 Partikelverteilung und Konzentration in der DKK (Staub < 63 µm)

15 Ergebnisse der DKK-Experimente: Unter den vier verschiedenen Versuchsbedingungen waren auf einer Zeitskala von ca. 8 Wochen keine Schwarzfärbungen zu beobachten. Auch mit modifizierten Versuchsbedingungen (Temperaturgradienten, elektrostatische Felder) ließen sich keine sichtbaren Schwarzfärbungen erzeugen. Weitere Experimente werden derzeit in der Doppelklimakammer des WKI durchgeführt.

16 Schlussfolgerungen I: Es ist zum Auslösen des Prozesses nicht ausreichend, dass bestimmte Parameter gegeben sind. Temperaturgradient + Partikel + SVOC Schwarze Wohnung Daraus folgt direkt: das alleinige Vorhandensein von SVOCs (z.b. Phthalaten) ist nicht ausreichend, um den Prozess auszulösen. Nachweis von SVOC Schwarze Wohnung Der Prozess ist komplexer Natur und bedarf der Kombination von Parametern mit bestimmten Eigenschaften.

17 Weitere Untersuchungen in Wohnungen: Identifizierung aktiver Phänomene in Braunschweig Durchführung von Messprogrammen über mehrere Wochen Temperatur, Feuchte, VOCs, SVOCs Partikel: µm, µm Mikroskopie an Wischproben Partikelmessungen wurden online durchgeführt!!! Protokollierung von häuslichen Tätigkeiten durch die Bewohner!!!

18 REM-Aufnahmen von Wischproben Bilder: Schripp, 2007

19 Lüften Kochen Staubsaugen und Lüften Kerze µm

20 Messungen an der Dunstabzugshaube (Umluft) in einer Wohnung Vlies seit mind. 3 a nicht gewechselt. P-TRAK (TSI), 0,02-1 µm Bedingungen Partikelkonzentration [P./cm³] Hintergrundkonzentration Dunstabzug in niedriger Stufe Dunstabzug in höchster Stufe Elektroherd mit kochendem Wasser Elektroherd mit kochendem Wasser + Dunstabzug min nach Abschaltung

21 Bildung von Aerosolen in einer Dunstabzugshaube (Umluft) beim Kochen von Wasser Aerosole Kohlefilter + SVOCs Wasserdampf

22 Wohnung mit definierten Luftströmungen durch einen Kaminofen mit Luftklappe Schwarze Ablagerungen in Unter- und Obergeschoss Ofen mit Luftklappe

23 These: Partikelbildung und gerichteter Partikeltransport sind die wesentlichen Parameter zur Auslösung des Prozesses. Die Anwesenheit von Wassermolekülen in der Luft trägt signifikant zur Bildung von Aerosolen bei. Daher ist auch ein Einfluss der Luftfeuchte zu vermuten. Gerichteter Partikeltransport kann in Wohnungen bevorzugt durch folgende Vorgänge entstehen: Lüftung Gebläse Thermophorese (Wärmebrücken)

24 Aerodynamischer Durchmesser D a D a = D p 1 χ ρ ρ p 0 D p = Partikeldurchmesser ρ p ρ 0 χ = Dichte des Partikels = Normdichte = Formfaktor D a ist definiert als der Durchmesser einer Kugel mit der Dichte von 1 g/cm³, welche die gleiche Sinkgeschwindigkeit in Luft aufweist wie das Partikel.

25 Eintrag über den Luftpfad Bildung Austrag Außenluft Deposition Reinigung Eintrag über Bewohner Resuspension Filtration Thatcher and Layton, 1995

26 Deposition von Partikeln Deposition durch Diffusion D k TC = c 3 πηd p Brown sche Bewegung F G = m g Gravitation F th = f(d a, ΔT) Deposition durch Thermophorese

27 WaBoLu Innenraumtage, Salthammer et al.: Schwarze Wohnungen

28 µm 10 7 Kumulative Deposition von Partikeln mit Normdichte auf einer horizontalen Oberfläche durch Diffusion und Abscheidung in 100 s settling (number/m²) µm 1 µm 0.1 µm 0.01 µm µm diffusion (number/m²) difusion coefficient (m²/s) deposition (number/m²) particle diameter (µm) particle diameter (µm) Hinds, 1999

29 Grundlagen der Thermophorese: T 1 T 2 Partikel T 1 > T 2 F th F th = f(d a, ΔT, T, λ) λ: mittlere freie Weglänge (0.066 µm in Luft unter Normbedingungen)

30 Thermophoretic velocity (m/s) 5E-6 4E-6 3E-6 2E-6 1E µm 0.1 µm T = 20 C Gradient: 1 C/cm 1.0 µm Terminal settling velocity (m/s) 10 µm Thermophoresis (number/m 2 ) µm 10 µm 0.1 µm 0.01 µm Diffusion (number/m 2 ) Cumulative deposition during 100 seconds T = 20 C Gradient = 1 C/cm Zur Auslösung des Prozesses (Thermophorese dominiert) ist eine bestimmte Verteilung der Partikelgröße notwendig. Hinds, 1999

31 100 Temperature Difference ΔT (K) DIFFUSION DOMINATES THERMOPHORESIS DOMINATES E Figure: Nazaroff and Cass (1987) PARTICLE DIAMETER d p (µm)

32 Die Rolle der SVOCs: Wachstumsprozesse von Partikeln können in der Gasphase oder auf Oberflächen stattfinden. Luftgetragene SVOCs sind bevorzugt an Partikel kondensiert (Finlayson Pitts & Pitts, 2001). Bildung und Wachstum von Aerosolen wird sowohl durch Luftfeuchte als auch durch SVOCs unterstützt. In den aktuell untersuchten Fällen wurden verschiedene SVOCs identifiziert: Langkettige Fettsäuren (Dunstabzugshaube) Phthalate (Latexfarbe)

33 Thermographische Aufnahme

34 Schlussfolgerungen II: Zur Auslösung des Phänomens der Schwarzen Wohnungen bedarf es zweier entscheidender Einflussgrößen: 1) Bildung von Aerosolen definierter Größenverteilung 2) gerichtete Transportprozesse, bevorzugt Thermophorese arbitrary units D (nm) T 1 T Wachstum und Lebensdauer von Aerosolen werden durch Wasser und organische Substanzen (speziell SVOCs) maßgeblich beeinflusst

35 Abschließende Bemerkung: Es ist nicht korrekt, im Zusammenhang mit Schwarzen Wohnungen vom Fogging Phänomen zu sprechen. Der Effekt wird besser durch den Begriff Soiling ausgedrückt, der in der englischsprachigen Literatur seit vielen Jahren gebräuchlich ist. ( Nazaroff and Cass, Atmospheric Environment, 1991)