Tepelné metody sanace dřevěných prvků konstrukcí při biotickém napadení

Datum: 28.12.2015  |  Autor: Ing. Andrea Nasswettrová, Ph.D., Ing. Pavel Šmíra, Ph.D., MBA, Metodické pracoviště Sanace dřeva, Vědeckotechnický park profesora Lista Brno  |  Recenzent: Ing. et Ing. Soňa Křivánková, Mendelova univerzita Brno

Příspěvek prezentuje přehled sanačních metod vycházejících z odborné, posudkové a výzkumné činnosti Metodického pracoviště Sanace dřeva. Reflektuje vhodnost či použitelnost dostupných metod pro dřevěné prvky daného druhu konstrukce. Metody jsou uvedeny v zastoupení v současnosti dostupných a aplikovaných způsobů sanace, jedná se o metody využívající tepelnou energii, a to horkovzdušnou sterilizaci dřeva a mikrovlnné technologie. Předkládaný příspěvek specifikuje podmínky, za kterých dané metody použít tak, aby jejich aplikace přispěla k účinnější ochraně památkového fondu. Oblast biotických škůdců zahrnuje dřevokazný hmyz a dřevokazné houby se zvláštním přihlédnutím k dřevomorce domácí (Serpula lacrymans).

1. Úvod

Vlhkost je nedůležitějším kritériem pro vývoj všech biotických činitelů. Dřevokazný hmyz a dřevokazné houby zpravidla v krovových konstrukcích působí symbioticky a s tím souvisí nutnost zvýšené vlhkosti dřevěných prvků pro jejich aktivní vývoj. Napadení houbou u stavebního řeziva je možné nad 20 % obsahu vlhkosti ve vztahu k hmotnosti suchého dřeva. Téměř všechny dřevokazné houby potřebují i významně vyšší vlhkost dřeva, v rozsahu meze nasycení vláken, což představuje asi 30 % vlhkosti dřeva a optimální relativní vlhkost vzduchu nad 90 % [1]. Odstranění příčin zvýšené vlhkosti je prvním krokem. Dalším krokem je sanace prvků, a to nejčastěji pomocí tepelné energie. V současnosti se z dostupných metod nabízí ošetření horkým vzduchem nebo mikrovlnnou energií (MW). V posledních 15 letech se stále častěji diskutuje o použití MW techniky k hubení dřevokazného hmyzu a dřevokazných hub, a to hlavně těmi, kteří pro tyto účely vyvíjejí nejrůznější přístroje a postupy. Stejně jako horkovzdušná sanace jsou i mikrovlny metodou tepelnou, avšak s opačným teplotním gradientem. Při horkovzdušné sanaci jsou gradienty vlhkosti a teploty protichůdné. Ve fázi vlastního sušení dochází k tvorbě vrstvy, přerušující kapilární tok vlhkosti ze středu materiálu a zabraňující vzniku trhlin. MW ohřev působí výhradně na molekuly vody, které jsou vysoce polárními látkami ve srovnání s ostatními elementy struktury dřeva, stručně řečeno neúčinkuje na zcela suché oblasti této soustavy. Na druhou stranu je tento MW efekt výrazně nehomogenní stejně jako kapilární soustava dřeva.Vzhledem ke skutečnosti, že větší obsah vlhkosti je směrem ke středové části dřeva, protože z povrchu je vlhkost difundována do okolí jsou gradienty teploty a vlhkosti při MW ohřevu shodné. Účinnost MW procesu ovšem není závislá pouze na výkonnostních parametrech zařízení (výkon, frekvence, konfigurace aplikátoru, doba expozice apod.), ale i na nehomogenitě elektromagnetického (EM) pole, která je specifická tvorbou míst s vyšší a nižší intenzitou tzv. „hot spots“ [2] a nehomogenitě samotného materiálu. „Hot and could spots“ výrazně ovlivňují teplotní rozložení v průřezu materiálu a tím jeho výsledný ohřev a sterilizaci [3]. Existuje několik přístupů, které jsou částečně schopné tyto negativní jevy eliminovat. Nicméně prvotní je znát rozložení výkonové hustoty zařízení a jeho pracovní výkon, aby bylo možné navrhnout řešení jak eliminovat nehomogenity EM pole. Prostorové rozložení teplotního pole je významné pro dosažení letálního účinku na dřevokazný hmyz i houby, a to jak při aplikaci MW energie, tak i při horkovzdušné sterilizaci dřeva. Předkládaný příspěvek si klade za cíl porovnat šíření vázaného pohybu fyzikálních polí a technického řešení zařízení pro sanaci anizotropního a vysoce hygroskopického materiálu (dřeva) MW energií a horkým vzduchem.

2. Princip metod

2.1 Horkovzdušná sanace

Likvidace dřevokazného hmyzu horkým vzduchem je osvědčený proces uznávaný normou DIN 68 800 část 4 [4, 5]. Tepelný proces působí tak, že jsou vlivem dostatečně vysoké teploty napříč celým průřezem dřeva usmrcena veškerá vývojová stadia hmyzu, která se ve dřevě nacházejí (vajíčka, larvy, kukly i dospělí jedinci), obr. 1. Pro úspěšnou likvidaci biotických škůdců je nutné dřevo ohřát na teplotu 55 °C po dobu 60 min., při této teplotě a čase dochází ke koagulaci bílkovin hmyzu a jejího usmrcení [5]. Denaturace bílkovin se projevuje rozpadem polypeptidového řetězce, který tak ztrácí svou charakteristickou strukturu [4]. Působením tepla se tak jejich spirály rozpadají a vytvářejí náhodné konfigurace. Okrajové oblasti dřeva jsou z pohledu napadení nejkritičtějšími částmi v širokém spektru druhů dřevin i stáří. Horkovzdušná metoda je považována za účinnou i z hlediska směru šíření tepla, které působí od povrchových vrstev, kde je napadení nejčastější. Právě zde jsou v prvních etapách ohřevu teploty nejvyšší. Likvidační teplota a čas 55 °C/60 min., je dána na základě řady pokusů, jejichž výsledky a praktické doporučení uvádí směrnice 1-1,87, kterou vydal Wissenschaftlich-technischer Arbeitskreis für Denkmalpflege und Bauwerksanierung e.V., (Vědecká společnost pro sanace staveb a péči o památkové objekty) referát „Ochrana dřeva“ [4]. Parametry horkovzdušné likvidace dřevokazného hmyzu, i jako metoda sama, je dle DIN 68 800 část 4 (vydána v květnu 1974, návrh nového znění proveden v červenci 1986) povoleným způsobem ošetření staveb [5].

Obr. 1: Simulace prostupu tepla v krovové konstrukci při procesu termosance [6]Obr. 1: Simulace prostupu tepla v krovové konstrukci při procesu termosance [6]Obr. 1: Simulace prostupu tepla v krovové konstrukci při procesu termosance [6]Obr. 1: Simulace prostupu tepla v krovové konstrukci při procesu termosance [6]
2.1.1 Technika po horkovzdušnou sanaci

Horký vzduch o teplotě 100–120 °C je generován ve výkonných mobilních horkovzdušných agregátech Nolting o výkonu horkého vzduchu 7500 [m3/h] (obr. 2) a Heimer o výkonu 22 500 [m3/h]. Mobilní ohřívače jsou vybaveny ekologickými hořáky na LTO (lehké topné oleje), které jsou napojeny na třífázový proud (380 V). Prostřednictvím potrubí je horký vzduch vháněn do sanačního prostoru zpravidla střešními otvory nebo průniky ve střešním plášti. Střešní prostor je nutné směrem ven co nejlépe utěsnit, k tomuto účelu jsou použity termofólie, které hermeticky uzavírají sanovaný prostor. Malé netěsnosti u dostatečně velkého množství ohřátého vzduchu zlepšují cirkulaci vzduchu a zabraňují tvorbě vzduchových polštářů s malou vodivostí [6].

Obr. 2: Realizace sanace mobilními ohřívači NoltingObr. 2: Realizace sanace mobilními ohřívači NoltingObr. 2: Realizace sanace mobilními ohřívači NoltingObr. 2: Realizace sanace mobilními ohřívači NoltingObr. 2: Realizace sanace mobilními ohřívači Nolting
2.2 Mikrovlnná sanace

Při sterilizaci dřeva MW energií je problematika vázaného pohybu fyzikálních polí doplněna o nové fyzikální jevy (lokální přehřátí, „hot spots“). Konstrukční řešení zařízení využívající MW energii, si vyžaduje vyřešení několika podstatných teoretických a praktických otázek, týkajících se rozložení teploty a vlhkosti v materiálu během sušení (sterilizace) a rozložení EM pole v samotném zařízení. Sušení, tedy dosažení požadované teploty v celém průřezu materiálu, probíhá nerovnoměrně z důvodu nehomogenity (uniformity) EM pole i materiálu, a to zejména v podélném směru v závislosti na vlhkosti dřevin. Problémy v podobě nehomogenní distribuce pole, vznik horkých a studených zón (tzv. hot spots), lokálního přehřátí materiálu, nedokonalého zařízení pro přenos energie, nevyhovujícího konstrukčního materiálu samotného zařízení a nedostatečného měření parametrů v průběhu procesu, je nutné považovat za základní limity využití MW energie při sanaci materiálů [7]. Vznik uniformity pole je dán interferenčním skládáním odražených vln v prostoru zařízení nebo směrových antén. Změnu odrazových podmínek EM pole je možné řešit pomocí těles (rozmítačů) rozličných tvarů (desky, talíře, pohyblivé kuličky, atd.) [8, 9, 10]. Uvedené technické řešení rozmítačů (desky, vrtule, větší počet magnetronů) je významné zejména pro průmyslové aplikace, u kavity (rezonátor) v podobě mikrovlnné trouby je nejčastěji použit otočný talíř, obr. 3.

Obr. 3: FEM simulace otočného talíře na snížení uniformity EM pole, a) KP model MW trouby, b) distribuce výkonové hustoty, c) rozložení teploty – vznik „hot spots“ [7]Obr. 3: FEM simulace otočného talíře na snížení uniformity EM pole, a) KP model MW trouby, b) distribuce výkonové hustoty, c) rozložení teploty – vznik „hot spots“ [7]Obr. 3: FEM simulace otočného talíře na snížení uniformity EM pole, a) KP model MW trouby, b) distribuce výkonové hustoty, c) rozložení teploty – vznik „hot spots“ [7]

Pro průmyslové aplikace je dále významná i hloubka vniku, která je přímo úměrně závislá na vlhkosti materiálu. Při vlhkosti dřeva 30 %, tedy stavu, kdy jsou buněčné stěny zcela nasyceny vodou, je na frekvenci 2,45 GHz hloubka vniku okolo 5–8 cm [11, 12]. V této hloubce dochází k razantnímu útlumu amplitudy a úbytku kinetické energie, tím se neúměrně prodlužuje čas a účinnost záření na likvidaci dřevokazného hmyzu a hub. Mikrovlny jsou v boji proti dřevokazným houbám a hmyzu limitovány i z technického hlediska a to malou účinnou plochou záření, vycházející z tvaru antény pro výstup energie, a vlastním výkonem generátorů. Ovšem nejvýznamnější je nehomogenita elektromagnetického pole, charakteristická vznikem míst s vyšší a nižší intenzitou pole. Uvedené nehomogenity výrazně ovlivňují teplotní rozložení v průřezu materiálu a tím jeho výsledný ohřev.

2.2.1 Experimentální mikrovlnné zařízení

Mikrovlnné zařízení (společnosti Thermo Sanace s.r.o.,) o jmenovitém výkonu 1,9 kW, se skládá ze dvou částí: zdroje MW energie a aplikátoru s magnetronem, obr. 4. Magnetron je chlazený vzduchem typ NL 10250, pracuje na frekvenci 2,45 GHz, s vlnovou délkou EM vlny 12,25 cm. Obě části, tedy zdroj i aplikátor, jsou vzájemně propojeny dvěma kabely. Jeden je přívodem vysokého napětí pro magnetron a druhý slouží na připojení ochranných prvků, napájení ventilátoru a žhavícího napětí pro katodu magnetronu. Zdroj obsahuje transformátor pro napájení katody a anody magnetronu, řídící obvody pro regulaci vysokofrekvenčního (vvf) výkonu celého MW systému, spínače a řídící prvky. Napájecí napětí je 230/50 Hz a regulace vvf výkonu je od 0 do 1,9 kW (lineární stupnice 10 až 1). Anténa pro usměrnění toku energie má pyramidiální tvar o rozměru 270 × 270 mm, obr. 5. MW systém přenáší energii ve vlnovodu s dominantním videm TE10. Z důvodu bezpečnosti práce je únik MW záření sledován testovacím přístrojem MLT 4, určeným k vyhledávání MW polí [6], obr. 5.

Obr. 4: Mikrovlnné zařízení pro sterilizaci dřeva, fa Thermo Sanace, s.r.o., [6]Obr. 4: Mikrovlnné zařízení pro sterilizaci dřeva, fa Thermo Sanace, s.r.o., [6]Obr. 4: Mikrovlnné zařízení pro sterilizaci dřeva, fa Thermo Sanace, s.r.o., [6]Obr. 4: Mikrovlnné zařízení pro sterilizaci dřeva, fa Thermo Sanace, s.r.o., [6]
Obr. 5: Plocha MW apertury, stínicí zástěna pro laboratorní ohřev a testovací přístroj MLT 4 pro vyhledávání MW polí [6]Obr. 5: Plocha MW apertury, stínicí zástěna pro laboratorní ohřev a testovací přístroj MLT 4 pro vyhledávání MW polí [6]Obr. 5: Plocha MW apertury, stínicí zástěna pro laboratorní ohřev a testovací přístroj MLT 4 pro vyhledávání MW polí [6]Obr. 5: Plocha MW apertury, stínicí zástěna pro laboratorní ohřev a testovací přístroj MLT 4 pro vyhledávání MW polí [6]

3. Měření sterilizačního účinku

3.1 Monitorování teplot při horkovzdušné sanaci

Teplota sanovaných konstrukčních prvků se stanovuje měřením, nikoli výpočtem. Měření teploty se provádí v pravidelných intervalech. Celý proces horkovzdušné sanace, je tak monitorován a dokumentován. Významná je teplota vzduchu a teplota sanovaného konstrukčního prvku, obr. 6. Termoelektrické snímače, měřící teplotu uvnitř dřeva, musejí být umístěny v geometrických středech prvků, aby bylo možné označit sanaci za úspěšně provedenou. Prohřátí středové částí dřeva, kde je teplota nižší než na jejím povrchu probíhá pomocí vedení tepla, které je významně závislé na objemové hmotnosti dřeva [6].

Obr. 6.: Termoelektrické snímače měřící teplotu vzduchu a dřeva při sanaci [6]Obr. 6.: Termoelektrické snímače měřící teplotu vzduchu a dřeva při sanaci [6]Obr. 6.: Termoelektrické snímače měřící teplotu vzduchu a dřeva při sanaci [6]Obr. 6.: Termoelektrické snímače měřící teplotu vzduchu a dřeva při sanaci [6]Obr. 6.: Termoelektrické snímače měřící teplotu vzduchu a dřeva při sanaci [6]
3.1.1 Termovizní kamera pro snímání teplotních polí

Snímání rozložení povrchových teplot vyvíjené oběma formami energie je možné pomocí infračervené termovizní kamery FLIR B425 (30 Hz, 2010 model) obr. 7, s teplotní citlivostí (0,08 °C) a kvalitou obrazu 320 × 240 pixel. Kamera ukládá termální snímky tzv. termogramy jako 14bitové obrázky ve formátu JPEG. Uvedená kamera je kalibrována pro přímé odečítání teplot na vnějším povrchu vzorků [6].

Obr. 7: Zobrazení snímání teplot termokamerou FLIR B425 [6]Obr. 7: Zobrazení snímání teplot termokamerou FLIR B425 [6]Obr. 7: Zobrazení snímání teplot termokamerou FLIR B425 [6]Obr. 7: Zobrazení snímání teplot termokamerou FLIR B425 [6]
3.2 Mikrovlnná sanace

Mimo uvedené limity využití zejména v podobě hloubky vniku a distribuce ohřevu je u mikrovlnné technologie významná i otázka měření parametrů během procesu sterilizace. Na základě skutečnosti, že MW technologie je bezkontaktní, představuje výhody pro různé vakuové procesy, ale v konkrétních aplikacích nastává problém s měřením teploty [7]. Bezkontaktně lze měřit teploty povrchové, ale ne objemové. Měření parametrů (teplota, vlhkost atd.) je důležité pro návrh správné geometrie aplikátoru s minimálním odraženým výkonem. K ověření vlastností navrženého aplikátoru zařízení, tedy k stanovení středního výkonu, ověření objemové homogenity energie je možné využít kalorimetrické metody.Tento postup byl již aplikován na ověření homogenity pole v prostoru MW zařízení autorů [8, 9]. Při procesu sanace není možné dostupnými metodami měřit vlhkost v objemu dřevěných prvků. Jednou z možností je využít FEM simulace nebo DTS systémy. Aplikace DTS systému do reálných podmínek sanace dřevěných prvků je však technicky obtížné.

3.2.1 DTS systém pro možnost měření objemových teplot při MW ohřevu

DTS systémy (Distribution Temperature System) jsou unikátní distribuované teplotní systémy využívající optického vlákna jako senzoru. Tyto senzory jsou schopny měřit podél optického vlákna teplotu na základě nelineárního jevu (Ramanův nelineární jev) v optickém vlákně. Jsou založeny na principu optického reflektometru, tzn., že do vlákna je vysílán světelný impuls o šířce 10 ns a vlnové délce 975 nm, 1064 nm nebo 1550 nm, v závislosti na konstrukci DTS systému [15]. Největší výhodou takového systému je právě využití optického vlákna pro měření teplotních polí s vysokou odolností vůči EM záření. Prostorové rozlišení DTS systému je standardně 1 m s přesností ±1 °C, při rozlišení 0,01 °C [15]. Prostorové informace o rozložení teploty podél optického vlákna se dosahují využitím techniky zvané Optical Time Domain Reflectometry (OTDR), která je v dnešní době nejvíce využívána pro testování optických tras. Blokové schéma měřícího systému je uvedeno na obr. 8 [6, 13].

Obr. 8: Blokové schéma měřicího systému DTS [6, 13]Obr. 8: Blokové schéma měřicího systému DTS [6, 13]Obr. 8: Blokové schéma měřicího systému DTS [6, 13]

Uniformita EM pole je pro rezonátory konstrukčně řešena pohyblivými částmi a částečně eliminována, nehomogenní strukturu dřeva eliminovat však nelze. Pro mobilní zařízení je uniformita EM pole eliminována posuvem aplikátoru se směrovou anténou v ose x a y (dle geometrie a rozměru ozařovaného materiálu), dobou expozice (cyklicky ohřev/relaxace) a vzdáleností antény od povrchu materiálu, obr. 9. Se vzdáleností se úměrně snižuje intenzita pole a tím teplota a sterilizační účinek. Ve vzdálenosti 10 cm od povrchu materiálu se doba ohřevu zvyšuje až 6× oproti expozici s bezprostředním kontaktem [7]. V neposlední řadě je nutné zmínit, že není možné ovlivnit výskyt kovových předmětů či zvyšovat užitnou plochu aplikátoru (plochu sterilizace) a zejména měřit dosažení sterilizačních teplot v průřezu prvku.

Obr. 9: Analýza homogenity pole při MW ohřevu pomocí DTS (Distributed Temperature System) systému a pomocí termovizní kamery [6, 14]
Obr. 9: Analýza homogenity pole při MW ohřevu pomocí DTS (Distributed Temperature System) systému a pomocí termovizní kamery [6, 14]

Na obrázku 9 jsou uvedeny výsledky v podobě obrazové analýzy a termogramů z analýzy homogenity pole při MW ohřevu dřeva. MW ohřev byl na povrch materiálu aplikován po dobu 20 minut, přičemž počáteční vlhkost prvku byla 17,7 %. Teplota byla měřena jak povrchová pomocí termovizní kamery tak i objemová pomocí DTS systému. Z výsledných termogramů je patrné nerovnoměrné rozložení MW pole na povrchu dřeva i ohraničená absorpce MW energie molekulami vody v povrchových vrstvách, daná plochou směrové antény. Výsledky z DTS systému zpracované v programu MATLAB (matrix laboratory) ukazují na nerovnoměrné rozložení teplot po délce vlákna umístěného v průřezu prvku, závislé na pohybu vlhkostního pole a anatomické struktuře dřeva [6, 14].

4. Kontrola sterilizačního účinku

4.1 Horkovzdušná sanace

Při horkovzdušné sanaci se účinnost zjišťuje na základě monitorování dosažení sterilizačních teplot v geometrickém středu dřevěných prvků a prostřednictvím kontrolních vzorků. Kontrolní vzorky o rozměru 150 × 100 × 25 mm jsou dle normy ČSN EN 1390 nainfikovanými 6 larvami tesaříka krovového (Hylotrupes bajulus L.) o určité hmotnosti, obr. 10. Při sanaci jsou vzorky umístěny na nejvíce kritická místa, po sanaci jsou vzorky rozštípnuty a zjišťuje se mortalita nainfikovaných larev. Uvedené kontrolní měření se provádí ve spolupráci s Výzkumným a vývojovým ústavem Dřevařským v Březnici [15].

Obr. 10: Dokumentace nainfikovaných vzorků, metoda štípání a kontrola mortality larev po sanaci včetně RTG snímkuObr. 10: Dokumentace nainfikovaných vzorků, metoda štípání a kontrola mortality larev po sanaci včetně RTG snímkuObr. 10: Dokumentace nainfikovaných vzorků, metoda štípání a kontrola mortality larev po sanaci včetně RTG snímku
Obr. 10: Dokumentace nainfikovaných vzorků, metoda štípání a kontrola mortality larev po sanaci včetně RTG snímkuObr. 10: Dokumentace nainfikovaných vzorků, metoda štípání a kontrola mortality larev po sanaci včetně RTG snímkuObr. 10: Dokumentace nainfikovaných vzorků, metoda štípání a kontrola mortality larev po sanaci včetně RTG snímkuObr. 10: Dokumentace nainfikovaných vzorků, metoda štípání a kontrola mortality larev po sanaci včetně RTG snímku

Horkovzdušná metoda, je na základě několika desetiletého praktického používání považována za osvědčenou metodu v likvidaci dřevokazného hmyzu. V praxi není možné dosáhnout teplot potřebných k usmrcení spor, zvláště když je nutné vysokých teplot dosáhnout v celém rozsahu napadeného dřeva, zdiva nebo jiných stavebních celků. Pokud nejsou zničeny všechny spory, je nutné počítat s jejich možným vyklíčením a novým napadením.

Proto spíše než mnohaleté podhoubí zůstává opravdovou hrozbou nové napadení sporami, které po mnoho let zůstávají klíčivé [16]. Pro fungování metabolismu houby je naprosto nezbytné určité množství vody. V buňkách tvoří vodné prostředí, v němž jsou rozpuštěny živiny, probíhají reakce, udržuje turgor mycelia a jejich enzymy jsou rovněž aktivní ve vodném prostředí. Za předpokladu, že jsou buňky dřeva plně saturovány vodou, faktor, který se stává limitujícím, je nedostatek kyslíku, jehož difuze v substrátu se v takových podmínkách komplikuje. Při snížení vlhkosti dochází rovněž k inaktivaci houby [16]. Těchto skutečností je využíváno při sterilizaci dřevěných prvků od zárodků hub hnědé hniloby včetně dřevomorky domácí horkovzdušnou metodou. Letální dávka tepla jako funkce likvidační teploty a doby působení, tedy doby expozice daného média, je nutné zvolit s ohledem ke struktuře exponovaného materiálu. Tyto vztahy teplota-čas je potvrzena i praxí ze zkušeností sanace objektů napadených dřevomorkou domácí (S. lacrymans) v Dánsku a Německu. Sanaci horkým vzduchem musí doprovázet doplňková chemická ochrana vhodným fungicidním nátěrem [16].

4.2 Mikrovlnná sanace

Přímým ozáření dřeva napadeného dřevokazným hmyzem dochází v rotaci polárních částic, tedy vody v těle brouka a k jeho usmrcení. Ovšem kvůli malé hloubce vniku mikrovln do dřevní hmoty a časté větší hloubce výskytu larev, které mohou být v období mimo fáze zakuklení blíže středové části, dle autorů výzkumné zprávy až v hloubkách 8–10 cm, je zřejmé, že sterilizační účinek je výrazně omezen [17]. U dřevokazných hub je nutné brát v úvahu likvidaci houby ve všech jejích stádiích. Účinek mikrovln na dřevokazné houby, konkrétně dřevomorku domácí, byl zjištěn pouze na jejím myceliu (Výzkumný a vývojový ústav, Březnice). Likvidace plodnic, spor, stejně jako celulolytických enzymů, které houba sekretuje do prostředí, je dosud neobjasněna. Proto se uvedenou problematikou v základním výzkumu zabývá Mikrobiologický ústav AV ČR ve spolupráci s Metodickým pracovištěm Sanace dřeva, které chce výsledky výzkumu využít při likvidaci dřevokazných hub v napadených konstrukcích. Prvotní výzkum inaktivace dřevomorky domácí (Serpula lacrymans) probíhal na nainfikovaných Petriho miskách, dále na blocích ovesných vloček či na dřevěných špalících. Výsledky potvrdily, že sterilizace MW energií je závislá mimo uvedené parametry zařízení dále na druhu dřeva, vlhkosti a rozměrech prvků napadené konstrukce. První výsledky ukázaly, že poměrně krátké ozáření (5–10 minut) při nízkých výkonech vede k likvidaci aktivního mycelia houby. Produkované enzymy ovšem dále parazitují ve struktuře dřeva. Vliv na viabilitu a klíčivost spor, tedy mechanismus šíření dřevokazných hub, je v současnosti předmětem výzkumu, obr. 11 [17].

Obr. 11: Kultivace S. lacrymans na Petriho miskách, blocích ovesných vloček 10 × 10 × 1,5 cm a dřevěných špalíčcích. Dále kolonizace substrátu sledována měřením dýchání (spotřeby kyslíku) v uzavřených lahvích opatřených elektronickým měřičem poklesu tlaku „System OxiTop® Control“ [17]Obr. 11: Kultivace S. lacrymans na Petriho miskách, blocích ovesných vloček 10 × 10 × 1,5 cm a dřevěných špalíčcích. Dále kolonizace substrátu sledována měřením dýchání (spotřeby kyslíku) v uzavřených lahvích opatřených elektronickým měřičem poklesu tlaku „System OxiTop® Control“ [17]Obr. 11: Kultivace S. lacrymans na Petriho miskách, blocích ovesných vloček 10 × 10 × 1,5 cm a dřevěných špalíčcích. Dále kolonizace substrátu sledována měřením dýchání (spotřeby kyslíku) v uzavřených lahvích opatřených elektronickým měřičem poklesu tlaku „System OxiTop® Control“ [17]
Obr. 11: Kultivace S. lacrymans na Petriho miskách, blocích ovesných vloček 10 × 10 × 1,5 cm a dřevěných špalíčcích. Dále kolonizace substrátu sledována měřením dýchání (spotřeby kyslíku) v uzavřených lahvích opatřených elektronickým měřičem poklesu tlaku „System OxiTop® Control“ [17]Obr. 11: Kultivace S. lacrymans na Petriho miskách, blocích ovesných vloček 10 × 10 × 1,5 cm a dřevěných špalíčcích. Dále kolonizace substrátu sledována měřením dýchání (spotřeby kyslíku) v uzavřených lahvích opatřených elektronickým měřičem poklesu tlaku „System OxiTop® Control“ [17]Obr. 11: Kultivace S. lacrymans na Petriho miskách, blocích ovesných vloček 10 × 10 × 1,5 cm a dřevěných špalíčcích. Dále kolonizace substrátu sledována měřením dýchání (spotřeby kyslíku) v uzavřených lahvích opatřených elektronickým měřičem poklesu tlaku „System OxiTop® Control“ [17]Obr. 11: Kultivace S. lacrymans na Petriho miskách, blocích ovesných vloček 10 × 10 × 1,5 cm a dřevěných špalíčcích. Dále kolonizace substrátu sledována měřením dýchání (spotřeby kyslíku) v uzavřených lahvích opatřených elektronickým měřičem poklesu tlaku „System OxiTop® Control“ [17]

5. Závěr

Z faktů uvedených v příspěvku je možné učinit následující závěry. Reálná hodnota středního výkonu zářiče (Pmin a Pmax), interferenční skládání přímých a odražených vln (nehomogenita EM pole), anizotropní charakter dřeva, nutnost experimentálního ověření expozice působení, nemožnost měření teplotního pole v průřezu materiálu během procesu sanace, technické řešení aplikátoru, limitující průřez směrové antény, malá hloubka vniku, která přímo úměrně klesá s vlhkostí materiálu a nekompatibility s kovovými předměty díky bezkontaktnosti technologie výrazně limituje využití MW systémů pro praxi. Malá hloubka vniku a plocha směrové antény omezuje použití MW technologie na malé průřezy dřevěných prvků, podlahy, schodnice apod. Nehomogenita pole způsobující nerovnoměrný ohřev daného materiálu je u mobilních aplikátorů řešena posuvem (nutné experimentálně ověřit dané časy ohřevu a posuvu v ose x a y). Přítomnost kovových prvků může mít za následek vzplanutí dřevní hmoty, přičemž rychlost je umocněna přítomností drtě v larválních požerech po dřevokazném hmyzu. V neposlední řadě nemožnost monitorovat proces sanace řadí MW aplikace do neověřených a dostatečně neefektivních možností sanace.

Využití horkého vzduchu umožňuje sanovat prvky dřevěné konstrukce komplexně, prvky velkých průřezů a v celém objemu. Jde o klasický způsob umělého sušení dřeva ovšem aplikovaného na velký prostor krovových konstrukcí. Umožňuje přirozenější pohyb vlhkostního pole ve struktuře dřeva a zabraňuje vzniku trhlin díky kondenzaci vlhkosti na povrchu prvků. Proces je monitorován a to jak povrchově tak i v objemu prvků. Horkovzdušná sanace není použitelná tam, kde není možné zajistit dostatečný přístup horkého vzduchu. Dále v případě, že se v sanovaném prostoru nachází materiály, které neodolávají vysokým teplotám (cca 100 °C). Sanaci není také vhodné provádět v zimních měsících, z důvodu závislosti na venkovních teplotách vzduchu. V nepřístupných místech (ohřev ze dvou stran) je nutné počítat s delší dobou ohřevu. Po horkovzdušné sanaci je nutné provést preventivní chemické ošetření sanovaných dřevěných konstrukčních prvků stavby.

Oba dva fyzikální přístupy mají společného jmenovatele a to zahubení hmyzu a hub v aktivní fázi růstu. Eliminují šíření hub z ložisek dál, ale při větším narušení a ztrátě mechanických vlastností napadeného dřeva je protézace prvku nebo celková výměna vždy nezbytná. Na závěr je pro přehlednost uvedena tabulka (tab. 1) srovnání obou metod ve vztahu k sanaci anizotropního kapilárně porézního materiálu jakým je dřevo.

Tab. 1.: Výhody a limity aplikace MW systémů a horkovzdušné sanace
VýhodyLimity
MW
Objemový ohřev „cold vessel" – homogenní materiályNemožnost měření teplot v průřezu
Shodné gradienty teploty a vlhkostiNehomogenita EM pole
Rychlý nástup teplotHloubka vniku EM vlny
Selektivní ohřev – homogenní materiályLokální přehřev („hot spots“)
Teplo potřebné pouze pro evaporaci molekul vodyMalá aplikační plocha směrové antény
Výkon MW zářiče
Neověřený sterilizační účinek
Nekompatibilita s kovovými předměty
Nutnost experimentálního určení doby expozice
Bezpečnost práce
TS
Monitorování teplot v průřezu prvkuNemožnost sanace v zimních měsících
Monitorování teplot vzduchu v sanovaném prostoruNutné zajištění přístupu horkého vzduchu (ST otvory)
Ohřev konstrukce v jednom procesu
Rovnoměrné rozložení teplot v průřezu
Výsledná dokumentace teplot
Bezpečnost práce

Literatura

  • [1] GABRIEL, J., K. ŠVEC, A. NASSWETTROVÁ a P. ŠMÍRA. Houby, které nevidíme rádi. Sruby&Roubenky. 2014, č. 1, s. 26–28.
  • [2] NASSWETTROVA, A., NIKL, K., ZEJDA, J., SEBERA, V., KLEPÁRNÍK, J. The analysis and optimization of high-frequency electromagnetic field homogeneity by mechanical homogenizers within the space of wood microwave heating device. Wood Research. 2013. sv. 58, č. 1, s. 11–24. ISSN 1336-4561.
  • [3] MANICKAVASAGAN, A.; JAYAS, D. S.; WHITE, N. D. G. Non-uniformity of surface temperature of grain after microwave treatment in an industrial microwave dryer. Drying Technology 2006, 24(12), 1559–1567.
  • [4] Grosser, D. směrnice 1-1,87, Vědecká společnost pro sanace staveb a péči o památkové objekty, Mnichov, a A. Weissvrodt, Borgholzhausen.
  • [5] HEIN, J. T. 2008. Horkovzdušná metoda likvidace živočišných škůdců dřeva v konstrukcích. Nahrazuje leták 1-1-87. WTA Publications. WTA Wissenschaftlich-technischer Arbeitskreis für Denkmalpflege und Bauwerksanierung. 978-3-8167-7752-6
  • [6] NASSWETTROVÁ, A., ŠMÍRA, P. Porovnání horkovzdušné a mikrovlnné sterilizace dřevěných prvků na základě pohybu a rozložení teplotních polí. In.: Sborník vědeckých a odborných příspěvků z konference Nové nedestruktivní metody diagnostiky a sanace dřevěných konstrukcí. 2014, s. 75–86. 1. VYD. ŠMÍRA – PRINT, s.r.o. ISBN: 978-80-87427-83-5.
  • [7] NASSWETTROVA, A., NIKL, K., ZEJDA, J., SEBERA, V., KLEPÁRNÍK, J. The analysis and optimization of high-frequency electromagnetic field homogeneity by mechanical homogenizers within the space of wood microwave heating device. Wood Research. 2013. sv. 58, č. 1, s. 11–24. ISSN 1336-4561.
  • [8] SEBERA, V., NASSWETTROVA, A., NIKL, K. Finite Element Analysis of Mode Stirrer Impact on Electric Field Uniformity in a Microwave Applicator. Drying Technology. 2012. sv. 30, č. 13, s. 1388–1396. ISSN 0737-3937.
  • [9] NIKL, K., NASSWETTROVÁ, A., 2011: Rotační homogenizátor vysokofrekvenčního elektromagnetického pole. Užitný vzor č. UV 21 868, Úřad průmyslového vlastnictví Praha, Česká republika.
  • [10] NIKL, K., NASSWETTROVÁ, A., 2011: Zařízení pro homogenizaci vysokofrekvenčního elektromagnetického pole. Užitný vzor č. UV 21 914, Úřad průmyslového vlastnictví Praha, Česká republika.
  • [11] RATTANADECHO, P., 2006: The simulation of microwave heating ofwood using a rectangularwave guide: Influence of frequency and sample size. Elsevier Ltd. All rights reserved 61 (2006) 4798-4811.
  • [12] Torgovnikov, G. I., 1993: Dielectric properties of wood and wood-based materials.1sted., Berlín: Springer-Verlag, 196 s. ISBN 3-540-55394-0.
  • [13] Vašinek, V., Solař, J., Šmíra, P. Nový přístup k měření teplot s využitím DTS ve stavebnictví. In Termosanace zvonového patra hlavní věže národní kulturní památky chrámu sv. Jakuba v Brně. 1. vyd. Grafico Opava: ŠMÍRA – PRINT s.r.o., 2012, s. 134–143. ISBN 978-80-87427-40-8.
  • [14] NASSWETTROVÁ, A., ŠMÍRA, P., FRIEDL, M., JAROŠ, J., LÍNER, A., PÁPEŠ, M., VAŠINEK, V. Analýza homogenity vysokofrekvenčního elektromagnetického pole a výkonu mikrovlnného zařízení pro sterilizaci dřeva. In: Sanace a rekonstrukce staveb 2013. Brno, 14. 11. 2013, s. 22–31. ISBN 978-80-02-02502-3.
  • [15] SOUČKOVÁ, A. 2010. Odborné vyjádření, č. VZL-N-14/10 – Stanovení likvidačního účinku horkovzdušné sterilizace dřeva proti larvám dřevokazného hmyzu Hylotrupes bajulus dle normy ČSN EN 1390. Výzkumný a vývojový ústav dřevařský v Březnici.
  • [16] NASSWETTROVÁ, A., ŠTĚPÁNEK, J., MORAVEC, T., GABRIEL J., ŠVEC, K., 2014.Lokalizace rozsahu destrukční činnosti dřevokazné houby (serpuly lacrymans) a dřevokazného hmyzu v zámku Velké Losiny, okres Šumperk. Posudková zpráva pro NPÚ 2014.
  • [17] Gabriel J., Švec, K., Sklenář F. 2013. Kultivace dřevomorky domácí (Serpula lacrymans) na polopřirozených substrátech a vliv mikrovlnného záření na inhibici růstu, extracelulární enzymové aktivity a na spóry. Výzkumná zpráva. Mikrobiologický ústav AV ČR, v.v.i., Vídeňská 1083, 142 20 Praha 4-Krč.
 
English Synopsis
Thermal preservation methods for wooden structural elements in case of biotic infestation

The paper presents an overview of preservation methods based on professional, expert assessment and research activity of the Thermal Preservation Methodological Department. It reflects the suitability and usability of available methods for wooden elements of respective type of structure. The methods are represented according to currently available and applied preservation methods. The methods use thermal energy, namely the hot-air sterilisation of wood and microwave technologies. The presented paper specifies conditions under which the methods shall be used so that their application contributes to more efficient protection of the heritage fund. The field of biotic harmful elements includes wood-destroying insects and fungi with special regard to dry rot fungus (Serpula lacrymans).

 

Hodnotit:  

Datum: 28.12.2015
Autor: Ing. Andrea Nasswettrová, Ph.D., Metodické pracoviště Sanace dřeva, Vědeckotechnický park profesora Lista BrnoIng. Pavel Šmíra, Ph.D., MBA, Metodické pracoviště Sanace dřeva, Vědeckotechnický park profesora Lista BrnoRecenzent: Ing. et Ing. Soňa Křivánková, Mendelova univerzita Brno



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Blogger  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (žádný příspěvek, přidat nový)


 
 
 

Aktuální články na ESTAV.czCasamoderna představí na For Interior novou kolekci značky MiottoSpráva železnic chce Negrelliho viadukt opravit za 1,2 mld. KčPřechodové lišty a profily pro podlahy