Architectura 8(1

Architectura 8 (1–2) 2009, 51–57
OBLICZENIOWE PROGNOZOWANIE WZROSTU
MIKROGRZYBÓW W BUDYNKACH MIESZKALNYCH
Jan Rado, Aleksandra Gryc, Agnieszka Sadowska
Uniwersytet Rolniczy w Krakowie
Streszczenie. W pracy przedstawiono obliczeniowy, biohigrotermiczny model wzrostu mikrogrzybów opracowany w Instytucie Fraunhofera Fizyki Budowli w Niemczech oraz program komputerowy o nazwie WUFI+ zbudowany przy udziale autora referatu. Program ten
umoliwia obliczenie niestacjonarnego przebiegu temperatury i wilgotnoci na powierzchni przegród oraz oszacowanie na tej podstawie zagroenia poraenia mikrogrzybami.
Wykonano przykadowe obliczenia dla typowego budynku jednorodzinnego z wymagan
i ograniczon, w celu zaoszczdzenia energii, wentylacj. Porównano przewidywany stopie zagroenia mikrogrzybami dla obydwu tych przypadków.
Sowa kluczowe: mikrogrzyby, program komputerowy, budynek, prognozowanie
WSTP
Termomodernizacja budynków mieszkalnych, polegajca na wymianie okien na bardziej energooszczdne i zarazem szczelne dla inltracji powietrza, oraz oszczdzanie
energii poprzez ograniczanie wentylacji prowadzi do podwyszenia wilgotnoci powietrza w pomieszczeniach. Dziaania te podnosz prawdopodobiestwo poraenia przegród
budowlanych mikrogrzybami, co czsto znajduje potwierdzenie w praktyce.
Pojawienie si i rozwój grzybów nastpuje w cile okrelonych warunkach rodowiskowych. Ich analiza w poczeniu z mikrobiologicznymi badaniami laboratoryjnymi pozwolia na zaobserwowanie wielu prawidowoci i w konsekwencji zbudowanie
biohigrotermicznego modelu matematycznego wzrostu mikrogrzybów na powierzchni
przegród budowlanych [Sedlbauer 2001]. Prognozowanie nastpuje na podstawie znajomoci przebiegu temperatury i wilgotnoci. Do ich wyznaczenia moe posuy program
WUFIplus. Program ten zbudowano w Instytucie Fraunhofera Fizyki Budowli w Niemczech przy udziale pracowników Katedry Budownictwa Wiejskiego Uniwersytetu RolniAdres do korespondencji – Corresponding author: Jan Rado, Aleksandra Gryc, Agnieszka
Sadowska, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Wydzia Inynierii rodowiska i Geodezji,
Katedra Budownictwa Wiejskiego, al. Mickiewicza 24–28, 30-059 Kraków,
e-mail: [email protected]
J. Rado, A. Gryc, A. Sadowska
52
czego w Krakowie. W pracy przedstawiono ogólnie opis modelu obliczeniowego, programu
komputerowego i przykadowe wyniki oblicze. Celem pracy jest obliczeniowe potwierdzenie wystpowania warunków zycznych, sprzyjajcych wzrostowi mikrogrzybów
w typowych budynkach jednorodzinnych, uytkowanych obecnie.
MATERIA I METODY
Stopie czynnika sprzyjajcego
Grade of favouring factor
Najwaniejszy wpyw na przeksztacenie si zarodników w grzybni i jej wzrost maj
temperatura, wilgotno oraz rodzaj podoa. W zalenoci od zakresu wartoci tych parametrów oraz jakoci podoa mona okreli umownie stopie ich wpywu na tworzenie si warunków bardziej lub mniej sprzyjajcych rozwojowi mikrogrzybów. Zalenoci
te zobrazowane s ogólnie na rysunku 1. Wyznaczenie dokadnych, ilociowych zalenoci midzy rozwojem grzybów a tymi parametrami moliwe jest poprzez badania laboratoryjne w kontrolowanych warunkach cieplno-wilgotnociowych. Na rysunku 2 pokazano przykadowe wyniki takich bada dla jednego z gatunków mikrogrzybów [Smith
i Hill 1982] w formie tzw. izoplet, czyli krzywych, bdcych funkcjami dwóch zmiennych
(w tym przypadku temperatury i wilgotnoci).
Rys. 1.
Fig. 1.
]
Wilgotno wzgldna [%]
Relative humidity
Temperatura [°C]
Temperature
PPodoe
dl
Substratum
Czynniki wpywajce na rozwój mikrogrzybów [Sedlbauer 2001]
Factors inuencing growth of fungus [Sedlbauer 2001]
Bazujc na wynikach bada laboratoryjnych, Sedlbauer i inni [2003] zbudowli tzw.
biohigrotermiczny, matematyczny model, pozwalajcy prognozowa rozwój szeregu gatunków mikrogrzybów. Opracowali oni m.in. izoplety graniczne, rozdzielajce pole wilgotnoci i temperatur na obszar, w którym nie dochodzi do kiekowania i wzrostu, oraz
obszar, w którym rozwój grzybów wystpuje. Izoplety graniczne okrelono i uredniono
osobno dla podoa organicznego (np. drewno) i nieorganicznego (np. tynk mineralny).
Moliwo prognozowania rozwoju mikrogrzybów zaley wic od znajomoci przebiegu temperatury i wilgotnoci wzgldnej na powierzchni elementów budowlanych.
Przebiegi te mona wyznaczy za pomoc programu komputerowego WUFI+, stworzonego w Instytucie Fraunhofera w Niemczech, przy wspópracy autora referatu. Program
ten suy gównie do oblicze ksztatowania si mikroklimatu budynków [Holm i in.
2004]. Implementacja izoplet granicznych umoliwia dodatkowo jego wykorzystanie
Acta Sci. Pol.
Wilgotno wzgldna powietrza [%]
Air relative humidity
Obliczeniowe prognozowanie wzrostu mikrogrzybów...
Czas kielkowania [d]
Czas
kielkowania[d]
Germination time [d]
53
–1
Wzrost [mm·d
]
Przyrost
[mm/d]
–1
Growth [mm·d ]
Temperatura
– Temperature [qC]
Temperatura[%]
Rys. 2.
Fig. 2.
Izoplety dobowej szyboci kiekowania i wzrostu zarodników A. Restrictus [Smith i Hill
1982]
Isopleths of daily germination and growth of A. Restrictus [Smith i Hill 1982]
do okrelenia stopnia zagroenia poraenia grzybami pleniowymi. Istotnym elementem
programu WUFI+ jest wyznaczenie sprzonego przepywu ciepa i wilgoci przez przegrody budynku. Metodyka tych oblicze oparta jest na modelu matematycznym opracowanym przez Künzla [2003], który znalaz zastosowanie w znanym równie w Polsce
programie o nazwie WUFI-POL [Künzel i in. 2003, Gawin i in. 2007]. Wyniki oblicze
za pomoc programu WUFI+ byy poddane wszechstronnej walidacji w zakresie wyznaczenia parametrów mikroklimatu budynków w warunkach niestacjonarnych, zarówno na
podstawie bada eksperymentalnych, jak i poprzez porównywanie z innymi programami
i normami [Rado 2005].
PRZYKAD OBLICZENIOWY
Przykadowe obliczenia wykonano dla budynku jednorodzinnego o powierzchni uytkowej 108 m2, zamieszkaego przez rodzin 5-osobow (rodzice + troje dzieci). Zaoono typowe dla przyjtego budynku i sposobu jego uytkowania emisje ciepa i wilgoci,
zawarte w bazie danych programu WUFI+. W okresie zimowym zaoono wyczenie
nocne ogrzewania midzy godzin 23.00 a 6.00 rano. Przyjto, e rodzina udaje si na
urlop (przebywa poza budynkiem) w okresach 1–15 maja oraz 1–31 sierpnia. Na podstawie obowizujcej normy dotyczcej wentylacji [PN-83/B-03430 1983] z póniejszymi
zmianami [PN-83/B-03430/Az3 2000] okrelono wymagan wymian powietrza dla tego
budynku na 120 m3 powietrza w cigu godziny. Przyjto, e w okresie urlopowym wentylacja odbywa si tylko poprzez inltracj (okna zamknite), która wynosi 0,1·h–1. ciany
budynku zbudowane s z pustaków ceramicznych, ocieplonych 8-centymetrow warstw
styropianu. Stropy elbetowe, podoga tzw. pywajca (wylewka betonowa 5 cm, na warArchitectura 8 (1–2) 2009
54
J. Rado, A. Gryc, A. Sadowska
twie styropianu o gruboci 5 cm) z parkietem dbowym. Na rysunku 3 pokazano wizualizacj przedmiotowego budynku w programie WUFI+, natomiast na rysunku 4 edycj
przegród zewntrznych, z podziaem na obliczeniowe elementy rónicowo-bilansowe.
Rys. 3.
Fig. 3.
Rys. 4.
Fig. 4.
Wizualizacja przykadowego budynku (z lewej) oraz wyodrbnionej strefy ogrzewanej
(z prawej) w programie WUFI+
Visualization of exemplary building (left) and separated heated zone (right) in WUFI+
software
Edycja budowy przegród zewntrznych z podziaem na elementy rónicowo-bilansowe
w programie WUFI+
Editing of external partitions with division into balance-differential elements in WUFI+
software
Acta Sci. Pol.
Obliczeniowe prognozowanie wzrostu mikrogrzybów...
55
Zarówno sposób uytkowania, jak i konstrukcja budynku mog uchodzi w swojej
klasie za typowe. Dla porównania przyjto wariant tzw. oszczdnociowy ze zmniejszon do poowy wentylacj w celu ograniczenia kosztów ogrzewania. Wyniki oblicze
ksztatowania si temperatury i wilgotnoci wzgldnej na wewntrznej powierzchni cian
o orientaci pónocnej pokazano na rysuku 5. Jak mona zauway, w kadym przypadku
istnieje zagroenie poraeniem mikrogrzybami (cz wartoci znajduje si ponad izopletami granicznymi). Jednake zmniejszenie wentylacji o poow znacznie podwyszyo to
ryzyko i spowodowao, e obszar par wartoci temperatury i wilgotnoci w przewaajcej
wikszoci znalaz si powyej krzywych granicznych.
Wilgotno
wzgldna
powietrza
Wilgotno
wzgldna
[%] [%]
Air relative humidity [%]
Wentylacja – Ventilation 120 m3·h–1
Wentylacja – Ventilation 60 m3·h–1
100
100
90
90
80
80
70
70
60
60
50
50
40
-20
Rys. 5.
Fig. 5.
podoe
organiczne
/ organic substratum
podoe
organiczne
podoe
organiczne
/ organic substratum
podoe
organiczne
podoe
organiczne
podoe
nieorganiczne
/ non organic substratum
podoe
nieorganiczne
podoe
nieorganiczne
/ non organic substratum
podoe
nieorganiczne
podoe
nieorganiczne
-10
0
10
20
30
Temperatura – Temperature [qC@
40
40
-20
-10
0
10
20
30
Temperatura – Temperature [qC@
40
Ksztatowanie si wilgotnoci i temperatury na powierzchni cian pónocnych przy rónym stopniu wentylacji w porównaniu z krzywymi granicznymi wzrostu mikrogrzybów
(izoplet)
Shaping of surface humidity and temperature on north-oriented walls by different ventilation in comparison with boundary curves (isopleths) for fungus growth
PODSUMOWANIE
Mikrobiologiczne badania laboratoryjne doprowadziy w ostatnich latach do zbudowania w Instytucie Fraunhofera Fizyki Budowli w Niemczech modelu matematycznego
rozwoju mikrogrzybów, moliwego do wykorzystania w budownictwie. Prognozowanie
poraenia i wzrostu grzybów jest moliwe poprzez monitoring warunków cieplno-wilgotnociowych w elementach budynku.
Warunki cieplno-wilgotnociowe mona okreli poprzez symulacje komputerowe
ksztatowania si wilgotnoci i temperatury w budynkach i ich elementach za pomoc
Architectura 8 (1–2) 2009
J. Rado, A. Gryc, A. Sadowska
56
programu WUFI+. Analiza ksztatowania si wartoci tych parametrów na powierzchni
przegród w relacji do izoplet granicznych pozwala okreli stopie zagroenia zagrzybieniem.
Przykadowe obliczenia pokazay, e nawet w budynku uytkowanym w sposób typowy okresowo pojawiaj si warunki sprzyjajce wzrastaniu mikrogrzybów. Warunki te
ulegaj znacznemu pogorszeniu przy „oszczdnej” wentylacji budynku.
Moliwo okrelenia zagroenia ju na etapie projektowania budynku pozwala m.in.
na przyjcie odpowiednich zaoe eksploatacyjnych (np. minimalnej wymiany powietrza), tak aby zminimalizowa ryzyko poraenia mikrogrzybami.
PIMIENNICTWO
Gawin D., Küznzel H., Rado J.,Wickowska A., Witczak K., Zirkelbach D., 2007. Program komputerowy WUFI i jego zastosowanie w analizach cieplno-wilgotnociowych przegród budowlanych. Komputerowa zyka budowli. Tom 3, Wydaw. Politechniki ódzkiej, ód.
Holm A., Rado J., Künzel H., Sedlbauer K., 2004. Berechnung des hygrothermischen Verhaltens
von Räumen, WTA-Schriftenreihe – Simulationsmethoden bei der Planung von Neubauten und Instandsetzungen. H. 24. München, 81–94.
Künzel H., 2003. Simultaneous Heat and Moisture Transport in Building Components. One- and
two-dimensional calculation using simple parameters. IRB Verlag, Stuttgart.
Künzel H., Holm A., Rado J., Gawin D., 2003. „WUFI-POL“ – program do cieplno-wilgotnociowego projektowania przegród budowlanych w Polsce. Mat. IX Konf.
Nauk.-Tech. „Fizyka budowli w teorii i praktyce”. Cz 1. ód, 388–396.
PN-83/B-03430, 1983. Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i uytecznoci publicznej. Wymagania.
PN-83/B-03430/Az3, 2000. Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego
i uytecznoci publicznej. Wymagania (Zmiana Az3).
Rado J., 2005. Opracowanie i walidacja modelu obliczeniowego mikroklimatu pomieszcze
w ramach projektu „IEA Annex 41”. Fizyka budowli w teorii i praktyce. Tom I. Sekcja
Fiz. Bud. KILiW PAN, 281–289.
Sedlbauer K., 2001. Vorhersage von Schimmelpilzbildung auf und in Bauteilen. Dissertation. Universtität Stuttgart.
Sedlbauer K., Krus M., Breuer K., 2003. Mould growth prediction with a new biohygrothermal
method and its application in practice. Mat. IX Konf. Nauk.-Tech. „Fizyka budowli
w teorii i praktyce”. Tom 2. ód, 594–601.
Smith S., Hill S., 1982. Inuence of temperature and water activity on germination and growth of
Aspergillus restrictus and Aspergillus versicolor. Transactions of the British Mycological
Society 79/3, 558–560.
COMPUTATIONAL FUNGUS GROWTH PREDICTION IN RESIDENTIAL
BUILDINGS
Summary. A biohygrothermal, calculation model of fungus growth, elaborated at Fraunhofer Institute for Building Physics in Germany and computer program WUFI+, built by
contribution of the author, are presented in this paper. The software enables calculation of
transient heat and moisture courses on building component’s surfaces and estimation, on
this base, the threat with fungus growth. Exemplary calculations for typical dwelling house
Acta Sci. Pol.
Obliczeniowe prognozowanie wzrostu mikrogrzybów...
57
were carried out. A required and diminished, to economize energy consumption, ventilation
was assumed. A predicted level of fungus growth threat was compared between these two
cases.
Key words: fungus, computer program, building, prediction
Zaakceptowano do druku – Accepted for print: 20.08.2009
Architectura 8 (1–2) 2009