Schimmelprävention mit dem AZ-Envy - Teil 1

Der folgende Blogbeitrag wurde uns von dem Gastautor Niklas Heinzel zugesandt. Viel Spaß beim Lesen und Nachbasteln:

In dem ersten Teil dieser Blog-Reihe geht es um die Nutzung des Umweltentwicklungsboards AZ-Envy zur frühzeitigen Schimmelprävention in Wohnräumen. Dabei werden wir uns zunächst mit den Grundlagen der Schimmelprävention beschäftigen, sowie der technischen Ansätze zur Lösung dieser Problematik.

Zunächst sollte man sich der gesundheitlichen und finanziellen Schäden eines Schimmelbefalls von Wohnräumen bewusst werden. Nicht nur Bausubstrat wird befallen, sondern der Mensch bekommt die gesundheitlichen Folgen stark zu spüren. Folgen wie eine Rhinitis (chronische Nasenschleimhautentzündung), eine Ausbildung von Typ-1-Allergien, Asthma-Anfälle und eine generell erhöhte Wahrscheinlichkeit an einer Atemwegserkrankung zu erleiden, sind denkbar.

Laut einer Untersuchung des ESS (European Statistical System) lebten 2019 schätzungsweise 13,1 % der Bevölkerung in den 28 Mitgliedsstaaten der Europäischen Union in einer Wohnung mit durchlaufendem Dach, Feuchtigkeit in Wärmebrücken oder genereller Fäulnis. Diese Statistik macht sehr deutlich, auch für Deutschland mit 12 % der Totalbevölkerung, dass gerade in diesen Gebäuden die Schimmelgefährdung besorgniserregend hoch ist und so eine große Masse an Menschen der EU einer gesundheitsgefährdenden Sporenbelastung ausgesetzt wäre.

Hinzu kommt natürlich eine zusätzliche finanzielle Belastung, die bei der Analyse, Beseitigung und Sanierung des Wachstumsortes durch einen Fachbetrieb schnell 190€ pro qm kosten kann. Gerade in fortgeschrittenen Stadien des Wachstums, da diese z.B. durch Mobiliar versteckt/begünstigt wurden können gleich mehrere Quadratmeter befallen sein.

Quelle: Regine Szewzyk / Umweltbundesamt

Einige Projekte im DIY-Bereich sind wohl mehr Spielerei als praxisbezogene und anwendbare elektronische Schaltungen. Daher geht es in diesem Projekt um eine gesellschaftsrelevante Thematik mit konkretem praktischem Nutzen und soll als Anregung zu mehr Erfindungen dienen, die der Gesellschaft dienlich sein können.

Um am Ende dieser Blog-Reihe ein wirksames Präventionsmittel zu entwickeln, sind die Grundlagen sehr entscheidend:

In Fachkreisen wird eine dauerhafte Unterschreitung eines Wertes der relativen Luftfeuchtigkeit von ≤ 70 % empfohlen, um die Bildung der bekanntesten Schimmelarten zu vermeiden. In Wohnräumen nach neuestem Standard, ist aber eine rel. Luftfeuchtigkeit von 40 % die Regel, gerade auch um die Atemluft angenehm und komfortabel zu gestalten.

Die relative Luftfeuchtigkeit gibt den Sättigungsgrad der Luft in Prozent (%) an. Je niedriger die Temperatur ist, desto weniger Feuchtigkeit kann die Luft aufnehmen, d. h. mit sinkender Temperatur steigt die relative Luftfeuchtigkeit (bei gleichbleibender absoluter Luftfeuchtigkeit in g/m³) und umgekehrt. Das bedeutet, dass bei normaler Raumluftfeuchte bereits an kälteren Stellen die Gefahr von Schimmelbildung ohne die Ausbildung von Tauwasser besteht.

Fachleute gehen davon aus, dass Sporen während des Keimens die Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft gewinnen und erst nach der Ausbildung der Myzel Feuchte aus dem Baumaterial aufgenommen werden kann. Eine besonders wachstumsbeschleunigende Wirkung hat auch die Bildung von Tau-, bzw. Kondenswasser auf Oberflächen.

In Kombination mit dem Faktor der Temperatur wird deutlich, dass bei einer länger währenden Innenluftfeuchtigkeit von 60-65 % dringend geraten ist, zu heizen und regelmäßig zu lüften. Dies liegt dem Wassertransport beim Lüften zugrunde, sowie der Temperatur der Raumluft. Kalte Außenluft, die beim Lüften in den Innenraum gelangt, nimmt beim Erwärmen Feuchtigkeit auf, die mit der erwärmten Luft wieder nach außen abgeführt wird und kann somit selbst bei Regenwetter eine Austrocknung erzielen.

Je kälter die Luft, desto mehr Wasser kann sie beim Erwärmen aufnehmen. Dieser Effekt lässt sich dadurch erklären, dass mit steigender Temperatur die durchschnittliche Geschwindigkeit der Moleküle im Wasser und in der Raum-luft zunimmt. Somit können sich aus dem im Raum enthaltenden Wasser mehr H2O-Moleküle aus dem flüssigen Molekülverband lösen und in die Luft übergehen. Des Weiteren ist es zu empfehlen, die Fenster in Querstromlüftung zu öffnen, d. h., dass ein oder mehrere gegenüberliegende Fenster ganz geöffnet werden, sodass quer durch das Haus eine Luftzirkulation erfolgen kann.

Problematisierend wirkt die Kombination aus schlechtem Luft- und Heizverhalten, die eine niedrige Temperatur und eine hohe Luftfeuchtigkeit bedingt. Um einen umfassenden Schutz zu gewährleisten, nutzte ich zusätzlich als wichtigen ergänzenden Faktor die Taupunkttemperatur, welche die Oberflächentemperatur bezeichnet, bei der die Kondensatbildung in Form von Wasser an den Wänden beginnt. Diese Feuchtigkeit an den Mauerwerken stellt den Nährboden für den Schimmel dar. Man spricht daher von der Taupunkttemperatur, wenn Verbrennungsgase beim Abkühlen so mit Wasserdampf gesättigt sind, dass bei einer Unterschreitung der Taupunkttemperatur, die Kondensation des Wasserdampfes beginnt. Für ein gesundes Wohnklima sollte in 20 °C warmer Raumluft eine rel. Luftfeuchte von ca. 50 % vorhanden sein. Dabei wird die Taupunkttemperatur wie folgt berechnet:

Die berechnete Taupunkttemperatur ist die genaue Lufttemperatur, die bei unverändertem Druck unterschritten werden muss, damit sich Wasserdampf als Tau oder Nebel abscheidet und die relative Luftfeuchtigkeit 100 % beträgt.

Diese Abscheidung ist der Nährboden für Schimmel und muss unbedingt verhindert, sowie in Relation zur aktuellen Raumtemperatur (Ti) gesetzt werden.

So wären die bautechnischen Grundlagen gesammelt, die als Ansatz zur Schimmelprävention dienen. Daher muss in der technischen Auseinandersetzung versucht werden, eine Messung der Raumlufttemperatur, der relativen Luftfeuchtigkeit (<65%) und der Taupunkttemperatur (<Raumlufttemperatur) vorzunehmen. Diese Werte müssen entsprechend automatisiert ausgewertet, sowie gespeichert werden.

Hierzu ist das AZ-Envy Entwicklungsboard sehr gut geeignet, denn es bietet alle Features, die für unser Projekt von Nöten sind. An dieser Stelle noch einmal ein kleines Schaubild mit den Komponenten des Boards:

Zunächst wäre da der MQ-2-Gassensor. Dieser kann anhand eines an der Außenluft kalibrierten Analogwerts die Veränderungen in der Zusammensetzung der Raumluft ausgeben. Dabei wird kein spezielles Gas als solches erkannt, es kann nur eine erhöhte und eventuell schädliche Konzentration der Gase H2, LPG, CH4, CO, Alkohol, Rauch und Propan nachgewiesen werden. Die Überlegung dahinter ist der Einsatz als Raumluftqualitätssensor, der zu einem erneuten Lüftungsintervall animieren soll.

Zur Messung der wichtigen Raumlufttemperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit soll dabei der SHT30-DIS-B Sensor dienen, der trotz seines extrem kleinen Formfaktors von 2.35 x 2.35mm sowohl die relative Luftfeuchtigkeit in % (± 1,5 %) als auch die Temperatur in °C (± 0,1 °C) extrem genau messen und einfach per I2C mit dem ESP12-F kommunizieren kann.

Mit diesen Sensoren können wir nicht nur Raumlufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Taupunkttemperatur messen, sondern auch zu vermehrtem Lüften animieren.

In Vorbereitung auf Teil 2 dieses Blogs sollte ein AZ-Envy Board vorhanden sein, sowie ein FTDI-Adapter zum Hochladen des Sketches auf den ESP12F.

Um das Board programmieren zu können, wählen Sie unter Werkzeuge das Board Generic ESP8266 aus und bleiben Sie bei den Voreinstellungen. Nach der Auswahl des Ports, an dem Sie Ihren Envy angeschlossen haben, können Sie auf hochladen klicken. Nach dem Kompilieren des Codes und der Initialisierung des Uploads, drücken Sie nacheinander die Taster RESET und FLASH (und halten RESET dabei gedrückt), um den ESP12-F in den Flash-Mode zu versetzen. Anschließend drücken Sie den RESET Taster nach dem Upload und schon startet das Programm. Dabei sollte die folgende Pin-Konfiguration zwischen FTDI-Adapter und ESP12F vorhanden sein:

Als Test für diese Konfiguration bietet es sich an, zunächst erstmal einen kleinen Blink-Sketch hochzuladen, wie diesen hier:

 void setup() {
   pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); //Deklaration des LED-Ports als Output
 }
 void loop() {
   digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH); //Aufleuchten der LED in 1 Sekunde Abstand
   delay(1000);
   digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
   delay(1000);
 }

Danke an Niklas Heinzel für diesen Blogbeitrag.