Mikroorganismen an Fassaden - Ursachen und Lösungen -

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1 Mikroorganismen an Fassaden - Ursachen und Lösungen - Optische Bewertung [-] (+) (+) (+) ++ +(+) + (+) Probenreihe: S3 Martin Krus, Klaus Sedlbauer J/J A S O N D/J F/M A M/J J/A S/O N D J/F M/A M J J/A S O/N D Untersuchungszeitraum [Juni 02 bis Dez. 04] Erkenntnisse aus - biologischen Untersuchungen - Freilanduntersuchungen - rechnerischen Untersuchungen Vermeidungsstrategien Mai

2 Algen und Pilze auf Baustoffoberflächen Beobachtung: Zunehmende Belastung von Fassaden durch Algenbewuchs Mögliche Ursachen: Verminderte SO 2 -Belastung der Atmosphäre Zunehmende Eutrophierung der Atmosphäre Änderung der Oberflächenfeuchteverhältnisse durch zunehmende Wärmedämmung 2

3 Algen und Pilze auf Baustoffoberflächen 3

4 Algen und Pilze auf Baustoffoberflächen Leoparden-Effekt Tiger-Effekt 4

5 Erkenntnis zu Mikroorganismen auf Bauteiloberflächen Bewuchs/Aufwuchs auf Bauteiloberflächen ist ist ein absolut natürlicher Umstand. Nahezu keine Oberfläche ist frei von Mikroorganismen! - optische inakzeptabel Einschränkung: - gesundheitlich (Innenraum) Befall - materialtechnisch negativ 5

6 Forschungsprojekte beim Fraunhofer-IBP Exposition von über 500 Prüfkörpern 3 verschiedene Standorte mehr als 40 Systemvarianten Vergleich mit ausgeführten Wandflächen Gefördert durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt Beteiligung von Beschichtungsindustrie, Dämmstoffindustrie und Verbänden 6

7 Prüfkörperaufbau 7

8 Standorte Heggen Heggen Ernsthofen Ernsthofen Holzkirchen 8

9 Wandflächen Feldversuche West Bewitterung von Gebäudewänden in Holzkirchen 9

10 Untersuchte Systeme (Auswahl) K Kunstharzputze mit/ohne Biozid mit/ohne Anstrich S Silikonharzputze mit/ohne Biozid mit/ohne Anstrich W Silikatputze mit/ohne Biozid mit/ohne Anstrich M Mineral. Putze ohne Biozid mit/ohne Anstrich 10

11 Biologische Untersuchungen Aufarbeitung von Proben, Kultur auf Selektivmedien in Verdünnungsreihen 11

12 Biologische Untersuchungen Sammlung von Vergleichs- und Belegkulturen bauteilrelevanter Organismen (derzeit ca. 600 Einzelkulturen) 12

13 Erfassung der Bewuchsentwicklung - Bewertungsskala Kürzel - (+) + +(+) ++ ++(+) (+) (+) Bedeutung Visuell kein Befall zu erkennen Nur 1 bis 3 kleine Punkte 2 bis wenige deutliche Punkte und /oder blasse schüttere Flecken bzw. Ablaufspuren (gesamte Ausdehnung unter 5 %) Einige Punkte bzw. schüttere Flecken, Gesamtausdehnung unter ca. 5 % Zahlreiche Punkte bzw. schüttere Flecken, gesamt ca. 5% bis 25% von Bewuchs und Verschmutzung betroffen Aufwuchs/Verschmutzung mäßig bis deutlich, ca. 25% bis 37,5% sind insgesamt verschmutzt oder bewachsen Aufwuchs/Verschmutzung deutlich, cal. 37,5% bis 50% der Oberfläche sind bewachsen oder verschmutzt Deutlich bis stark, ca. 50% bis 62,5% der Aufnahmefläche sind von Bewuchs und/oder Verschmutzung betroffen Starke(r) Bewuchs/Verschmutzung, ca. 62,5% bis75% der untersuchten Oberfläche sind bewachsen bzw. verschmutzt Stark bis sehr stark, ca. 75% bis 87% der Fläche zeigen Aufwuchs bzw. Verschmutzung Sehr stark, Fläche fast durchgehend bewachsen, ca. 87,5 bis die gesamte Fläche sind von deutlichem Aufwuchs bzw. Verschmutzung bedeckt. 13

14 Erfassung der Bewuchsentwicklung - Bewertungsskala Bewertung (+) 14

15 Erfassung der Bewuchsentwicklung - Bewertungsskala Bewertung +++(+) 15

16 Erfassung der Bewuchsentwicklung - Prüfkörperkartierung Die gefundenen Algen sind i.d.r. unabhängig von den beobachteten Pilzen und Bakterien! 16

17 Erfassung der Bewuchsentwicklung/Verschmutzung Optische Bewertung [-] (+) (+) (+) ++ +(+) + (+) Probenreihe: S3 Probenreihe S3 J/J A S O N D/J F/M A M/J J/A S/O N D J/F M/A M J J/A S O/N D Untersuchungszeitraum[Juni 02 bis Dez. 04] organ. Deposition, Pilze Algen 17

18 Mikroorganismen auf Bauteiloberflächen Bisher von Bauteilaußenoberflächen isoliert: Blaualgen: 16 Arten Grünalgen: 33 Arten andere Algen: 6 Arten Flechten: 17 Arten Beleg durch Moose: 10 Arten eigene Jochpilze: 6 Arten Sammlung Schlauchpilze: 12 Arten imperfekte Pilze: 37 Arten Insgesamt: ca. 140 Arten von Organismen 18

19 Taxonomie - häufigste Primärbesiedler Pilze Ulocladium chartarum Cladosporium cladosporioides Epicoccum purpurascens Alternaria alternata Algen Stichococcus sp. (z.b. S. minutus, S. bacillaris) Diplosphaera sp. (z.b. D. chodatii) Chlorella sp. (z.b. C. ellipsoidea, C. vulgaris, C. minutissima) Klebsormidium sp. (z.b. K. flaccidum) Schwärzepilz Schwärzepilz Schwärzepilz Schwärzepilz coccale Organisation sarcinoide Organisation coccale Organisation trichale Organisation, vorwiegend Bewuchsentwicklung > 2 Jahre 19

20 Zyklische Wachstumsvorgänge Wellenartige Entwicklung des Aufwuchses 20

21 Zentrale Erkenntnisse zum biologischen Befall Die häufigsten Primärbesiedler sind identifiziert Stets Mischpopulationen verschiedener Organismen ausgeprägt, jedoch einzelne Formen weit verbreitet und oft dominierend Standortunabhängig im wesentlichen dieselben Algen + Pilze Entwicklung an klimatisch begünstigten Orten schneller Bakterien und Pilze an WDVS-Oberflächen korrelieren nicht mit primärem Algenbewuchs (unabh. von Bakterien- Vorbesiedelung ) 21

22 Prüfkörperbeobachtungen Putze/Anstriche ohne Biozide (+) ++++ Holzkirchen Ernsthofen Heggen Siliconharzfarben ohne Biozide g Holzkirchen Ernsthofen Heggen Bewuchs [-] +++(+) (+) ++ +(+) + (+) Dez. 02 Juli 03 Dez. 03 Mai 04 März 05 Kontaktwinkel < 130 Dez. 02 Juli 03 Dez. 03 Mai 04 März 05 Kontaktwinkel > 130 Abperleffekt in Hoki bewuchsmindernd andere Standorte deutlicher Bewuchs Ursache? 22

23 Oberflächenfeuchtemessung Abtupfen mit Filterplatte Gravimetrische Feuchtebestimmung 23

24 Oberflächenfeuchtemessung Abtrocknung nach Regen Farbe mit Abperleffekt trocknet schneller nach Schlagregenereignissen 24

25 Oberflächenfeuchtemessung Abtrocknung nach Betauung Extreme Hydrophobie führt zu langsamerem Abtrocknen nach Betauung 25

26 Zentrale Erkenntnisse aus dem Materialvergleichen Mikroklima hat auf Bewuchs stärkeren Einfluss als geograf. Lage Kreidung bewuchsmindernd Anstriche tendenziell bewuchsmindernd Wirksamkeit der Biozide sehr unterschiedlich Austrocknungsverhalten wesentlich (Standardkennw. nicht ausr.) extreme Hydrophobie kann Bewuchs fördern (Abtrocknung) Abperleffekt nur bei Beregnung wirksam Verfügbarkeit von Oberflächenwasser wesentlich 26

27 Ursachen für mikrobiellen Befall Bessere Wärmedämmung: - Erhöhung der Anzahl der Taupunkttemperaturunterschreitungen durch nächtliche Unterkühlung - mehr Oberflächenfeuchte für mikrobielles Wachstum Annahme: Taupunktstemperaturunterschreitungen maßgeblich für Bewuchsrisiko Begründung: Bewuchs meist auf schlagregenarmer Nordseite 27

28 Einfluss des Dämmstandards 28

29 Vergleich zwischen WDVS und monolith. Konstruktionen Auswertungszeitraum: September + Oktober 29

30 Bauphysikalische Verhinderungsstrategien Konstruktive Maßnahmen (Dachüberstände, Sträucher weg,...) Erhöhung der Wärmespeicherkapazität Dämmstoff höherer Wärmekapazität Dickputz Latentwärmespeicher (PCM) Änderung der strahlungstechnischen Oberflächeneigenschaften Erhöhung der kurzwelligen Absorption (dunkle Farbe) Verringerung der langwelligen Emission (IR-Effekt) 30

31 Freilanduntersuchungen 31

32 Freilanduntersuchungen Verbesserung: 1. Herbst PCM: bis ca. 30 % (Feld 1) Mittl. Außentemperatur 5 C Umschlagspunkt PCM: 6 C Verbesserung: 2. und 3. Herbst PCM: bis ca. 5 % (Feld 1) Mittl. Außentemperatur 10 C 32

33 Einfluss der Farbe und des IR-Effekts Oberflächeneigenschaften: Hell: a = 0,4; = 0,9 Dunkel: a = 0,6; = 0,9 IR: a = 0,4; = 0,6 Tagsüber höhere Maximaltemperaturen 33

34 Einfluss der Farbe und des IR-Effekts - rechnerisch 34

35 Freilanduntersuchungen Norden Farbe weiß hellgrau hellgrau IR Absorptionsgrad 0,23 0,39 0,39 Emissionsgrad 0,95 0,96 0,74 35

36 Freilanduntersuchungen Verbesserung: 1. Herbst PCM: bis ca. 30 % (Feld 1) IR: bis ca. 20 % (Feld 5) PCM+IR: bis ca. 50 % (Feld 2) Mittl. Außentemperatur 5 C Umschlagspunkt PCM: 6 C Verbesserung: 2. und 3. Herbst PCM: bis ca. 5 % (Feld 1) IR: bis ca. 20 % (Feld 5) PCM+IR: bis ca. 45 % (Feld 2) Mittl. Außentemperatur 10 C 36

37 Freilanduntersuchungen Bestimmung der Menge des Oberflächenwassers 37

38 Zentrale Erkenntnisse zu den IR-Farben deutliche Reduzierung der Tauwasserzeiten mit IR-Beschichtungen auf WDVS je nach Emissionsgrad zwischen 20 und 50 % Reduzierung des Oberflächentauwassers höhere Oberflächentemperaturen bisher keine rein weißen IR-Beschichtungen realisierbar Dauerhaftigkeit zu verbessern Entwicklungsbedarf 38

39 Vergleich der unterschiedlichen Maßnahmen 39

40 Optimierung der hygrischen Eigenschaften nur Feuchte auf der Oberfläche bioverfügbar Extreme Hydrophobie geringe Regenwasseraufnahme Tauwasser verbleibt länger an Oberfläche Welche hygrischen Eigenschaften sind optimal?? Mit WUFI nur Wasserhaushalt im Bauteil berechenbar Erweiterung von WUFI zur Berechnung der Oberflächenfeuchte 40

41 Validierung durch Laborversuche Versuchsaufbau Kühlplatte mit Putzprobe Seitendämmung Putzprobe Eingefrästes Thermoelement 41

42 Validierung durch Laborversuche Versuchsaufbau Kühlplatte mit Putzprobe Kühlplatte mit Wärmeleitpaste Leitungen des Kühlmittelkreislaufs Putzprobe Seitendämmung 42

43 Versuchsergebnis Validierung durch Laborversuche Hydrophobe Anstriche Ungesättigter Putz saugt Tauwasser auf nichtlineares Verhalten. Ohne Anstrich 43

44 Validierung durch Laborversuche Zeitlicher Verlauf der Taubildung: Beispiel eines ultra-hydrophoben Anstrichs 44

45 Validierung durch Laborversuche Zeitlicher Verlauf der Taubildung: Beispiel eines Dispersions-Silikat-Anstrichs 45

46 Berechnungsergebnisse Nordwand Ultrahydrophob Dispersions-Silikat-Anstrich 46

47 Zusammenfassung - Feuchtehaushalt Annahmen: 1. ausreichendes Vorhandensein von Wasser wesentlich für Bewuchsrisiko 2. nur auf der Oberfläche befindliches Wasser ist für Bewuchs verfügbar Mit neuem Modell gute Übereinstimmung von Berechnung und Labor- sowie Freilandergebnissen neues Planungstool für Optimierung der hygrischen Eigenschaften von Außenbeschichtungen Untersuchungen zu: 47

48 Zusammenfassung Wachstumsvoraussetzungen von Algen Nährboden, Temperatur und Feuchte; für Algen auch Licht Ergebnisse Vielfältige Zusammenhänge zwischen Bewuchs und Einflussgrößen Neue Lösungsansätze Erfolg versprechend z.b. Hydrophile Oberfläche, IR Viele alte Weisheiten widerlegt: z.b. Algen im Norden, Pilze im Süden Bakterienschleim als Wegbereiter für Pilz- und Algenbewuchs 48