Holzfeuchte
Als Holzfeuchte oder Holzfeuchtigkeit {\displaystyle u} bezeichnet man das Verhältnis der im Holz enthaltenen Wassermasse zur Trockenmasse des Holzes in Prozent. Sie ist nicht zu verwechseln mit dem Wassergehalt des Holzes, welche das Verhältnis von der im Holz enthaltenen Wassermasse zur Gesamtmasse des (feuchten) Holzes in Prozent wiedergibt.[1]
Die Holzfeuchte ist eine der wichtigsten Kenngrößen der Holzbearbeitung wie auch für Energieholz. Sie ist im niedrigen Bereich bis ca. 30 % einfach mit im Handel erhältlichen Holzfeuchtemessgeräten zu bestimmen.
Grundlagen
Die Holzfeuchte ist eine ausschlaggebende Zustandsgröße des Werkstoffes Holz für seine technologischen und mechanischen Eigenschaften. Ändert sich der Feuchtegehalt des Holzes unterhalb der Fasersättigung, so hat dies entscheidenden Einfluss auf seine Eigenschaften, es beginnt z. B. zu quellen oder zu schwinden. Auch kann Holz ab einer bestimmtem Holzfeuchte deutlich einfacher gebogen werden (siehe Bugholz ). Bei einem Feuchtegehalt über der holzartenspezifischen Fasersättigung kann Holz weitere Feuchtigkeit nur noch in Form von freiem Wasser in den Lumina seiner Zellen aufnehmen, was nur geringen Einfluss auf seine physikalischen und mechanischen Eigenschaften hat.
Holz schwindet ab einer Holzfeuchte unterhalb des Fasersättigungsbereiches, der je nach Holzart variiert. Fasersättigungsbereich bezeichnet den Feuchteanteil, bei dem das gesamte Wasser aus den Zellhohlräumen entwichen ist und das in den Zellwänden gebundene Wasser auszutrocknen beginnt, wodurch sich die Zelle zusammenzieht. Der Schwindungs-Vorgang wird durch die Aufnahme von Wasser (z. B. bei Anstieg der Luftfeuchte) umgekehrt, das Holz quillt. Die Dimensionsänderung unterhalb des Fasersättigungsbereiches, die umgangssprachlich auch als das Holz arbeitet bezeichnet wird, kann bei einer Verwendung für Möbel oder bauliche Zwecke ungünstig sein. Deshalb ist es wichtig, die Zielfeuchte des einzusetzenden Holzes dem Umgebungsklima anzupassen, in dem es verwendet werden soll: im Außenbereich feuchter, im Innenausbau trockener.
Im Holz, das nicht direkter Befeuchtung ausgesetzt ist (z. B. durch Bewitterung oder Erdfeuchte), stellt sich mit der Zeit eine bestimmte, von der relativen Luftfeuchtigkeit und der Temperatur abhängige Ausgleichsfeuchte ein. Diesen Zustand nennt man lufttrocken (etwa bei trockenem Brennholz), eine weitere Trocknung lässt sich nur durch technische Mittel erreichen, etwa in Trockenkammern.[2]
Der Feuchtebereich des Holzes bis zur Fasersättigung wird auch als hygroskopischer Bereich bezeichnet. In diesem wird Feuchtigkeit vom Holz sorptiv aufgenommen und als gebundenes Wasser in die Zellwände eingelagert. Die Sorption findet abhängig von den Bindungsarten des Wassers in drei Phasen statt, die sich teilweise überlagern und räumlich ungleichmäßig verteilt auftreten:[3]
- Chemisorption findet bei einem Feuchtigkeitsgehalt des Holzes von etwa 0 bis 6 % statt. Hierbei wird bei einer relativen Luftfeuchte von bis zu rund 20 % Feuchtigkeit als monomolekulare Schicht an die Cellulose micellen gebunden. Wasser-Dipole richten sich dabei an negativen Polen der freiliegenden Cellulose-OH-Gruppen aus und beanspruchen aufgrund dessen ein geringeres Volumen als zuvor. Dieser chemische Vorgang findet intermicellar, also an der Oberfläche des Micellgerüsts statt, ausgehen von dessen Lockerstellen. Der Vorgang kann als molekulare Sorption betrachtet werden. Solange noch kaum kristalline Bereiche verschoben werden, vergrößert sich dabei das Volumen des Holzes noch nicht wesentlich.
- Adsorption geschieht bei 6 bis 15 % Holzfeuchte und etwa 20 % bis 60 % relativer Luftfeuchte. Die Wassermoleküle lagern sich aufgrund von elektrostatischen sowie Van-der-Waals-Kräften nun polymolekular, also in mehreren Schichten, ab, die jedoch nicht gleichmäßig verteilt auftreten. Mit zunehmender Schichtung lösen sich die Wassermoleküle von den Grenzschichten der Micellen, beginnen zu fließen und ihre Oberflächenspannung macht sich bemerkbar.
- Kapillarkondensation stellt sich von 15 % bis zur holzartenspezifischen Fasersättigung zwischen 24 % und 32 % Holzfeuchte und ab etwa 60 % relativer Luftfeuchte ein. Die Kondensation tritt in Kapillaren mit Radien von 50 nm bis 1 μm aufgrund des dort geringeren Dampfsättigungsdrucks auf. Diese sind ebenfalls ein Teil der Zellwandstruktur. Die intermicellaren und interfibrillaren Hohlräume füllen sich nun vollständig mit flüssigem Wasser. Wenn sich die Fibrillen wegen der relativ festen kristallinen Bindungen nicht weiter ausdehnen können, ist der Fasersättigungspunkt erreicht.[3]
In der Natur weist das Splintholz deutlich höhere Holzfeuchte auf als das Kernholz, da im Splintholz unter der Rinde der Wassertransport des Baumes erfolgt. Ebenso hat die Holzfeuchte einen großen Einfluss auf die Gefährdung durch Holzschädlinge wie Pilze und Insekten.
Absolut trocken (atro), lufttrocken (lutro), wald- und saft- bzw. fällfrisch
Bezeichnungen in der Reihenfolge des Ablaufs (abnehmende Feuchte):
- Fällfrisch oder saftfrisch ist die Bezeichnung für das Holz direkt nach dem Schnitt, also lebendes Holz – beides nennt man Grünholz.
- Waldfrisch ist der forstfachsprachliche Ausdruck für das Holz, das nach Zwischenlagerung abtransportiert wird.
- Lufttrocken bezeichnet ein mehrjährig trocken gelagertes (akklimatisiertes) Holz.
- Als darrtrocken bezeichnet man absolut trockenes Holz (Trockenmasse).
Dabei haben sich spezielle Maßeinheiten in Schleif- und Faserholzindustrie (Industrieholz) sowie im Bioenergiebereich etabliert:[4]
- die Tonne absolut trocken (t-atro, „Atro-Tonne") ist die Maßeinheit für die Masse einer Tonne absolut trockenen Holzes
- bei der Tonne lufttrocken (t-lutro, „Lutro-Tonne") ist der jeweilige Wassergehalt berücksichtigt. Lufttrocken kann bei Industrieholz deutlich oberhalb der üblichen Verwendung für Bau- und Brennholz liegen und sich bis zu waldfrisch erstrecken, denn so wird der Rohstoff der industriellen Fertigung und Verarbeitung meist geliefert.
Holzart | AMO/FMO | FMO/AMO | AOO/FOO | FOO/AOO |
---|---|---|---|---|
Eiche | 0,750 t-atro/m3 | 1,334 m3/t-atro | ||
Buche (Rotbuche) | 0,707 t-atro/m3 | 1,414 m3/t-atro | 0,650 t-atro/m3 | 1,538 m3/t-atro |
Fichte / Tanne | 0,475 t-atro/m3 | 2,100 m3/t-atro | 0,427 t-atro/m3 | 2,342 m3/t-atro |
Pappel | 0,400 t-atro/m3 | 2,490 m3/t-atro |
mit
- AMO: Atro-Tonne, mit Rinde geliefert, ohne Rinde weiterverwendet
- AOO: Atro-Tonne, ohne Rinde geliefert, ohne Rinde weiterverwendet
- FMO: Festmeter, mit Rinde geliefert, ohne Rinde weiterverwendet
- FOO: Festmeter, ohne Rinde geliefert, ohne Rinde weiterverwendet
Aus einer Tonne theoretischer Trockenmasse des Fichtenbaums komplett (tabellierte Mittelwerte laut Laboranalyse) sind also 2,1 Festmeter trockenen Holzwerkstoffs in der Praxis zu gewinnen.[5]
Definition
Die Holzfeuchte ist definiert als prozentualer Einheitswert aus der Masse des in der Holzprobe enthaltenen Wassers (Wassermasse mw) und der Masse der wasserfreien (darrtrockenen) Holzprobe (Trockenmasse m0):
- {\displaystyle u={\frac {m_{w}}{m_{0}}}\cdot 100,円\%.}
Vorlage:Infobox DIN Diese Definition der Holzfeuchte findet sich beispielsweise in
- der EN 13183 – Feuchtegehalt eines Stückes Schnittholz (insb. Teil 1)
- der EN 14298 Schnittholz – Ermittlung der Trocknungsqualität
- der – im Juli 2006 ersatzlos zurückgezogenen – deutschen DIN 52183 Prüfung von Holz; Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes.[6]
Außerdem gilt:
- {\displaystyle m_{w}=m_{u}-m_{0}\quad \Leftrightarrow \quad m_{u}=m_{0}+m_{w}\quad \Rightarrow \quad u={\frac {m_{u}-m_{0}}{m_{0}}}={\frac {m_{u}}{m_{0}}}-1}
mit
- mu: Gesamtmasse der feuchten Probe (Nassgewicht)
- m0: Trockenmasse einer Normprobe gleicher Größe (Darrgewicht).
Kennt man das Normgewicht (spezifische Gewicht, anhand der Rohdichte) des darrtrockenen Holzes einer bestimmten Holzsorte und Qualität, so kann man – mit der Menge {\displaystyle m_{w}} des entzogenen Wassers bzw. mit dem Nassgewicht {\displaystyle m_{u}} – den ursprünglichen Wasseranteil {\displaystyle u} bestimmen.
Darrfeuchtes Holz hat 0 % Holzfeuchte, lufttrockenes grob um 10–20 % (bestenfalls um die 8–10 %); Holz mit 100 % Holzfeuchte hat genauso viel Wasser- wie Holzmasse, was für frisches Holz typisch ist. Am lebenden Holz mit Rinde kann die Holzfeuchte über 100 % betragen, der Baum kann also mehr Wasser in sich speichern als seine Holzmasse ausmacht.[7]
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Holzfeuchte und Wassergehalt
Die Holzfeuchte wird auf die Trockenmasse bezogen, der Wassergehalt (Feuchtegehalt) {\displaystyle w} hingegen auf die Gesamtmasse:[12]
- {\displaystyle w={\frac {m_{w}}{m_{0}+m_{w}}}\cdot 100,円\%}
Darrtrockenes Holz hat einen Wassergehalt von 0 %, lufttrockenes Holz liegt noch etwa bei denselben Werten wie die Holzfeuchte, wassergesättigtes Holz hat 50 % Wassergehalt, und der Wassergehalt kann 100 % nicht erreichen (das wäre reines Wasser ohne Holzanteil).
Umrechnung zwischen Holzfeuchte {\displaystyle u} und Wassergehalt {\displaystyle w} (Achtung, beide Werte als Dezimalbrüche, z. B. {\displaystyle u=0{,}1=10,円\%}):
- {\displaystyle u={\frac {w}{1-w}}\quad \Leftrightarrow \quad w={\frac {u}{1+u}}}
Beispiel
Wird bei einer Lieferung Fichten-Industrieholz ein Lutro-Gewicht (lufttrocken) von 25.000 kg gewogen
- {\displaystyle m_{\text{lutro}}=m_{\text{0}}+m_{\text{w}}=25.000,円{\text{kg}}=25,円{\text{t}}}
und ein Trockengehalt von 50 % ermittelt (Wassergehalt 50 % entspricht Holzfeuchte 100 %)
- {\displaystyle w={\frac {m_{\text{w}}}{m_{\text{0}}+m_{\text{w}}}}=0{,}5\quad \Rightarrow \quad m_{\text{w}}=w\cdot (m_{\text{0}}+m_{\text{w}})=12{,}5,円{\text{t}},}
so errechnet sich das Atrogewicht zu
- {\displaystyle m_{\text{atro}}=m_{\text{0}}=m_{\text{w}}\cdot \left({\frac {1}{w}}-1\right)=12{,}5,円{\text{t}}.}
Dieses Gewicht dividiert durch den Bemessungsrichtwert für Fichte forstlich geliefert (vgl. Tabelle oben „Atro-Masse ...") ergibt eine Holzmenge von
- {\displaystyle V={\frac {m_{\text{atro}}}{0{,}475,円\mathrm {\tfrac {t}{FMO}} }}=m_{\text{atro}}\cdot 2{,}1,円\mathrm {\tfrac {FMO}{t}} =26{,}3,円{\text{FMO}}} (Festmeter für die Weiterverarbeitung).[4]
Holzfeuchte-Gleichgewicht und Normalfeuchte
Holz ist hygroskopisch und reagiert somit auf Schwankungen der Luftfeuchtigkeit: wenn die Luftfeuchtigkeit sinkt, fällt auch die Holzfeuchtigkeit, und umgekehrt. Es gibt also einen konstanten Zusammenhang zwischen der Luftfeuchtigkeit und der Holzfeuchte, den man Holzfeuchte- oder Sorptionsgleichgewicht (Auf-/Abgabegleichgewicht) nennt. Dieses Gleichgewicht stellt sich nicht spontan ein, sondern benötigt je nach Dicke des Holzes einige Zeit.
Die Normalfeuchte uN (auch: u65)[9] ist diejenige Holzfeuchte, die sich bei einem Normalklima (Index N) mit 20 °C und 65 % relative Luftfeuchte einstellt. Sie ist ein Materialkennwert der Holzsorte.[13]
Die Ausgleichsfeuchte von Bauholz liegt nach DIN 1052
- bei 12 bis 24 % für Bauwerke, welche der Witterung ausgesetzt sind (Nutzungsklasse 3)
- bei 10 bis 20 % bei überdachten offenen Bauwerken (NKL 2)
- bei 5 bis 15 % für geschlossene, beheizte Räume (NKL 1).
Bestimmungsmethoden
- Das Darrverfahren ist die einzige Methode, die genormt war (DIN 52183)[6] und somit auch als Eichmethode für die anderen Methoden verwendet wird. Hierbei wird die zu untersuchende Probe gewogen und danach bis zur Gewichtskonstanz getrocknet (darrtrocken), erneut gewogen und nach der obigen Gleichung die Holzfeuchte bestimmt. Nachteil ist hier, dass die Messungen langwierig sind und die Probe zerstört wird.
- Die Bestimmung mittels Infrarotreflexion findet hauptsächlich in der Industrie Verwendung und nützt aus, dass jedes Material elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge absorbiert. Holz tut dies besonders gut bei einer Wellenlänge im Infrarotbereich von λ = 1,93 μm und λ = 2,9 μm, Wasser u. a. bei λ = 1,4 μm. Da diese Strahlung vom Holz reflektiert wird und nur wenig eindringt, kann mit diesem Verfahren nur die Oberflächenfeuchte gemessen werden, oder die Feuchtigkeit von sehr dünnen Materialien wie z. B. Furnieren.
Weitere Methoden sind z. B.
- Hygroskopische Methode, bei der die hygroskopische Eigenart von Holz ausgenützt wird und die relative Luftfeuchte des Umgebungsklimas gemessen wird und mit Hilfe eines KEYLWERTH-Diagramms auf die Holzfeuchte geschlossen wird.
- Destillationsverfahren, bei der die Holzprobe mit einem hydrophoben Lösemittel auf etwas über 100 °C erhitzt wird und das Destillat (das Wasser der Holzfeuchte) aufgefangen wird.
- Titrationsverfahren nach Karl Fischer
Nachteil aller thermischen Trocknungsverfahren ist, dass dabei auch sonstige leichtflüchtige organische Verbindungen (beispielsweise Terpene und Ätherische Öle) ausgasen können, was beim Endprodukt einer Holztrocknung mitunter erwünscht ist,[14] bei der Messung der Holzfeuchte das Ergebnis einer Messprobe aber verfälschen kann.
Neu auf dem Markt sind elektrische Holzfeuchtemessverfahren, bei denen entweder der ohmsche Widerstand oder die dielektrischen Eigenschaften von Holz ausgenutzt werden. Der Nachteil bei den Widerstandsmessverfahren liegt jedoch noch darin, dass bei einer Holzfeuchte von u < 5 % der Widerstand sehr hoch ist und nur schwer gemessen werden kann und sich der Widerstand bei u > 25 % nur noch geringfügig verändert, was zu einer Messungenauigkeit führt. Beim dielektrischen Verfahren werden die unterschiedlichen relativen Dielektrizitätskonstanten von Wasser (εr = 80) und Holz (εr = 2 ... 3,5) ausgenutzt. Hierbei muss die Rohdichte des zu messenden Holzes berücksichtigt werden, zudem beeinflussen der Faserverlauf zwischen den Elektroden oder auch die Eindringtiefe der Elektroden bei beiden Verfahren die Messergebnisse.
Einfluss auf die Verbrennung
Wassergehalt | Heizwert |
---|---|
50 % | 100 % |
40 % | 126 % |
30 % | 152 % |
20 % | 178 % |
10 % | 204 % |
Quelle: Holzforschung Austria [15] |
Die Holzfeuchte (bzw. der Wassergehalt) hat einen grundlegenden Einfluss auf den Brennwert:
- waldfrisches Brennholz hat einen Brennwert von 6,8 MJ/kg
- lufttrockenes Brennholz 14,4–15,8 MJ/kg
- thermisch getrocknete Holzpellets oder Holzbriketts 17,5–18 MJ/kg.
Bei der Verbrennung von Holz wird neben der Holzfeuchte auch Wasserdampf freigesetzt, der aus der Oxidation der Wasserstoffatome stammt, die in den Inhaltsstoffen (vor allem Cellulose, Hemicellulosen und Lignin) chemisch gebunden sind. Dieses „Verbrennungswasser" sorgt für eine Differenz zwischen Brenn- und Heizwert:[16] zu seiner Verdampfung (bzw. auch zur Verdampfung der flüchtigen organischen Verbindungen) wird eine bestimmte spezifische Energie benötigt. Dies ist gerade jener Energieanteil, der bei Brennwertkesseln durch Rekondensation genutzt werden kann. Daher wird das zu verbrennende Holz vor der Verfeuerung getrocknet, beispielsweise durch eine Hackschnitzeltrocknungsanlage.
Siehe auch
Literatur
- Thomas Trübswetter: Holztrocknung: Verfahren zur Trocknung von Schnittholz – Planung von Trocknungsanlagen, Hanser Verlag, 2006, ISBN 978-3-446-40477-9 (Definitionen insb. Kap. 3.3 Holzfeuchte, S. 23–38)
Einzelnachweise
- ↑ Holzfeuchte und Wassergehalt von Scheitholz (auf waldwissen.net), aufgerufen am 11. Januar 2019
- ↑ In der Bioholzverarbeitung übermäßig getrocknetes Holz als „totes Holz" bezeichnet: Hierbei wird schon dem Zellinneren so viel Wasser entzogen, dass es zu einer Veränderung der Ligninstruktur kommt. Technisch ist das ein Vorteil, weil das natürliche Arbeiten beschränkt wird: Extrem trockenes Holz wird primär für Holzwerkstoffe eingesetzt.
- ↑ a b Roland Ulmer: [ Möglichkeiten zur Festlegung tolerierbarer Kurzzeitschwankungen der relativen Luftfeuchte für Kulturgut aus Holz], Abschnitt „3 Physikalische Kenngrößen" S. 21; Diplomarbeit, 2004, TU München, Studiengang Restaurierung, Kunsttechnologie und Konservierungswissenschaft; abgerufen im Mai 2019.
- ↑ a b Festmeter oder Atro-Tonne? @1 @2 Vorlage:Toter Link/stmk.agrarnet.info (Seite nicht mehr abrufbar, festgestellt im April 2018. Suche in Webarchiven) Info: Der Link wurde automatisch als defekt markiert. Bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis., in Landwirtschaftskammer Steiermark: Agrarnet.
- ↑ Holzmessen . Präsentation, Bundesforschungs- und Ausbildungszentrum für Wald, Naturgefahren und Landschaft, Tabelle Gewichtsvermessung – Umrechnungsfaktoren nach FPP, S. 11 (pdf; 1,01 MB); FFP ... Kooperationsabkommen Forst-Platte-Papier.
- ↑ a b Norm DIN 52183:1977-11, beuth.de.
- ↑ von Baobabs, Art Adansonia digitata sind bei bis 20 m Wuchshöhe Speichermengen bis 130.000 Liter Wasser (über 100 Tonnen) berichtet. Bei einem Gewicht von einigen Tonnen Holz ist das eine Wasserspeicherkapazität der Größenordnung von 1000 % der Holzmasse. Angabe der Wassermenge nach Pflanzen – Affenbrotbaum, in Madagaskar Lexikon (pdf, dilag-tours.ch)
- ↑ Siehe Holztrocknung , Thema auf holzwurm-page.de; Brennholzlagerung , dezentrale-energieversorgung.com; Tabelle zitiert nach Wassergehalt bei frisch geschlagener Buche , Forumsbeitrag NetSeeker, Fr Mär 31, 2006.
- ↑ a b c d e DIN 68101:2012-02 Grundabmaße und Toleranzfelder für Holzbe- und -verarbeitung; Holzartenmerkblätter nach Grosser und Teetz; zitiert nach Lit. Trübswetter: Holztrocknung, 2006, Tab. 3-1 Holzeigenschaften, S. 31.
- ↑ a b c Robinie: Wissenswertes (Memento vom 14. Juni 2013 im Internet Archive ), holz-pur.ch, abgerufen 8. November 2012
- ↑ a b c Rohdichte (Memento vom 10. November 2013 im Internet Archive ), Storch Industrie-Anlagen GmbH (storch-ind.com), abgerufen 13. November 2012.
- ↑ a b M. Schardt: Das Problem mit der „Holzfeuchte" und dem „Wassergehalt". In: LWF aktuell 54, 2006, S. 50–51. (Online-Version: Holzfeuchte und Wassergehalt von Scheitholz , waldwissen.net, 2. Februar 2012, abgerufen 10. November 2012).
- ↑ Lit. Trübswetter: Holztrocknung, 2006, Kap. 3.3 Holzfeuchte und Klima, S. 26, Sp. 2.
- ↑ Vera Steckel: Einfluss von Trocknungs- und Prüfbedingungen auf die Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen aus Kiefer (Pinus ylvestris L.) und Fichte (Picea abies (L.) H. Karst.)., Universität Hamburg 2011, (PDF-Datei).
- ↑ Michael Golser, Wilfried Pichler, Florian Hader: Energieholztrocknung. Zusammenfassung des Endberichts. Im Auftrag von FFP. HFA-Nr. F1887/04, Holzforschung Austria, Wien, März 2005 (pdf @1 @2 Vorlage:Toter Link/www.netzwerk-land.at (Seite nicht mehr abrufbar, festgestellt im April 2018. Suche in Webarchiven) Info: Der Link wurde automatisch als defekt markiert. Bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis., netzwerk-land.at).
- ↑ Leopold Lasselsberger: Grundlagen der Verbrennungstechnik und technische Umsetzung, Bundesanstalt für Landtechnik (PDF-Datei, bosy-online.de).