Účinnost tepelných metod sanace dřevěných prvků konstrukcí při biotickém napadení – horkovzdušná sterilizace a mikrovlnná technologie

Pro vývoj všech biotických činitelů je nedůležitějším kritériem dostatek vlhkosti. 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 nad mezí nasycení buněčných stěn (> 30 %) a optimální relativní vlhkost vzduchu nad 90 % [1]. Prvním krokem sanace je odstranění příčin zvýšené vlhkosti. Dalším krokem je sanace napadených prvků, a to nejčastěji pomocí tepelné energie.

Horkovzdušná i mikrovlnná sanace jsou metodami tepelnými, 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 zabraňující vznik trhlin. Jedná se o klasický způsob vysokoteplotního sušení aplikovaný na prostředí krovové konstrukce. Mikrovlnný ohřev působí výhradně na molekuly vody, které jsou vysoce polárními látkami ve srovnání s ostatními elementy struktury dřeva. Tento mikrovlnný efekt je však výrazně nehomogenní stejně jako kapilární soustava dřeva. V ní je obsah vlhkosti největší ve středové části, protože z povrchu je vlhkost difundována do okolí. Gradienty teploty a vlhkosti u tohoto způsobu ohřevu jsou tedy shodné.

Nehomgenita mikrovlnné energie je specifická tvorbou míst s vyšší a nižší intenzitou, tzv. hots pots [2], ty výrazně ovlivňují teplotní rozložení v průřezu materiálu a tím jeho výsledný ohřev [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.

Horkovzdušná sanace
Likvidace dřevokazného hmyzu horkým vzduchem je 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.

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].

Horký vzduch o teplotě 100–120 °C je generován ve výkonných mobilních horkovzdušných agregátech. Prostřednictvím potrubí je horký vzduch vháněn do sanovaného prostoru zpravidla střešními otvory nebo průniky ve střešním plášti. Střešní prostor je nutné směrem ven co nejlépe utěsnit. K tomuto účelu je použita ovčí vlna. Při rozdělení velkých prostor na menší sanované části je použita termofólie, která hermeticky uzavírá cílený sanovaný prostor. Malé netěsnosti u dostatečně velkého množství ohřátého vzduchu zlepšují cirkulaci vzduchu a zabraňují tvorbě vzduchových polštářů s malou vodivostí [6] (obr. 2).

Mikrovlnná sanace
Konstrukční řešení zařízení využívající mikrovlnnou energii vyžaduje vyřešení otázky eliminace nehomogenity ohřevu pro dosažení sterilizační teploty v celém průřezu materiálu. Jejich vznik je dán interferenčním skládáním odražených vln v prostoru směrových antén. Řešení je v návrhu expozičních dávek a posunu směrové antény v ose prvku. Změnu odrazových podmínek tedy není možné u mobilních zařízení řešit jako u mik-rovlnných trub otočným talířem nebo deskami u průmyslových rezonátorů. Při sanaci je rovněž významná 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 s vlnovou délkou 12,25 cm hloubka vniku přibližně 5–8 cm [6, 7]. V této hloubce dochází k razantnímu útlumu amplitudy a úbytku kinetické energie a tím se neúměrně prodlužuje čas a účinnost záření. Ke snížení účinnosti rovněž přispívá vzdáleností antény od povrchu materiálu. Ve vzdálenosti 10 cm od povrchu materiálu se doba ohřevu zvyšuje až 6x oproti expozici s bezprostředním kontaktem. Mikrovlny jsou v boji proti dřevokaznému hmyzu a houbám limitovány i z technického hlediska, a to malou účinnou plochou záření, vycházejícího z tvaru směrové antény pro výstup energie, a vlastním výkonem generátorů (obr. 3, 4).

Měření sterilizačního účinku

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. 5). 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]. 

Povrchové teploty jsou monitorovány pomocí infračervené termovizní kamery s kalibrací pro přímé odečítání teplot na vnějším povrchu (obr. 6). Kamera ukládá termální snímky, tzv. termogramy. Počet termoelektrických snímačů je dán velikostí objektu, přičemž snímače jsou umístěny do míst dle způsobu ohřevu (ze čtyř stran, ze tří a dvou stran) na ta nejméně příznivá místa.

Monitorování teplot při mikrovlnné sanaci
Mimo uvedené limity využití zejména v podobě hloubky vniku a distribuce ohřevu je u mikrovlnné technologie významná i otázka měření parametrů během procesu sterilizace. MW technologie je bezkontaktní, představuje tedy výhody pro různé vakuové procesy, ale v konkrétních aplikacích nastává problém s měřením teploty [7]. Bezkontaktně lze měřit teploty povrchové, ale ne objemové. 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 obtížná. Teplota při mikrovlnné sanaci je v současné praxi měřena pouze na povrchu ohřívaných prvků.

Kontrola sterilizačního účinku 

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 150x100x25 mm jsou dle ČSN EN 1390 infikované 6 larvami tesaříka krovového o určité hmotnosti (obr. 7). Při sanaci jsou vzorky umístěny na nejkritičtější 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].

Mikrovlnná sanace
Při mikrovlnných sanacích je prováděno pouze monitorování povrchových teplot. Pro konečného zákazníka tak není možné zaručit sterilizační teploty v celém průřezu sanovaného prvku. Díky nehomogenitě mikrovlnného ohřevu a mále hloubce vniku do dřevní hmoty je zřejmé, že kontrola sterilizačního účinku je výrazně omezena [17]. S přihlédnutím ke skutečnosti, že stavební řezivo je z dřevin bělových a larvy tak mohou být v období mimo fázi zakulení blíže středové části je riziko nedosažení sterilizace opravdu vysoké. 

Účinek metod při sterilizaci dřevokazných kub
Horkovzdušná metoda, je na základě několikadesetiletého praktického používání považována za osvědčenou metodu pouze v likvidaci dřevokazného hmyzu. V praxi není možné dosáhnout teplot potřebných k usmrcení spor dřevokazných hub, 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].

U dřevokazných hub je nutné brát v úvahu likvidaci houby ve všech jejich stadiích. 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 v infikovaných Petriho miskách, dále v ovesných vločkách až po dřevěné špalíky. Výsledky potvrdily, že sterilizace MW energií je závislá, kromě parametrů zařízení, 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 [9].

Tabulka: Výhody a limity aplikace MW systému a horkovzdušného systému

Systém	Výhody	Limity
Mikrovlnná technologie	– objemový ohřev „cold vessel“ – homogenní materiály, – shodné gradienty teploty a vlhkosti, – rychlý nástup teplot, – selektivní ohřev – homogenní materiály, – teplo potřebné pouze pro evaporaci molekul vody	– nemožnost měření teplot v průřezu, – nehomogenita EM pole – hloubka vniku EM vlny, – lokální přehřev („hot spots“), – malá aplikační plocha směrové antény, – výkon MW zářiče, – neověřený sterilizační účinek, – nekompatibilita s kovovými předměty, – nutnost experimentálního určení doby expozice, – bezpečnost práce
Horkovzdušná technologie	– monitorování teplot v průřezu prvku, – monitorování teplot vzduchu v sanovaném prostoru, – ohřev konstrukce v jednom procesu, – rovnoměrné rozložení teplot v průřezu, – výsledná dokumentace teplot. – bezpečnost práce	– nemožnost sanace v zimních měsících, – nutné zajištění přístupu horkého vzduchu (ST otvory)

Závěr
Z faktů uvedených výše je možné učinit následující závěry.

Využití MW systémů v praxi je výrazně limitováno, a to reálnou hodnotou středního výkonu zářiče P_min a P_max, nehomogenitou EM pole, anizotropním charakterem dřeva, nutností experimentálního ověření expozice působení, nemožností měření teplotního pole v průřezu materiálu během procesu sanace, technickým řešením aplikátoru limitujícím průřez směrové antény, malou hloubkou vniku, která přímo úměrně klesá s vlhkostí materiálu, a nekompatibilitou s kovovými předměty.

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. 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 málo efektivních možností sanace.

Využití horkého vzduchu umožňuje sanovat prvky dřevěné konstrukce komplexně, prvky velkých průřezů a v celém objemu. 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 ovšem 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 (kolem 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.

Pro přehlednost uvádíme tabulku srovnání obou metod ve vztahu k sanaci anizotropního kapilárně porézního materiálu, jakým je dřevo.

ANDREA NASSWETTROVÁ, PAVEL ŠMÍRA, SOŇA KŘIVÁNKOVÁ
foto archiv autorů

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., K. NIKL, J. ZEJDA, V. SEBERA a J. KLEPÁRNÍK. 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., D. S. JAYAS, N. D. G. WHITE. Non-uniformity of surface temperature of grain after microwave treatment in an industrial microwave dryer. Drying Technology, 2006, sv. 24, č. 12, s. 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. Horkovzdušná metoda likvidace živočišných škůdců dřeva v konstrukcích. Nahrazuje leták 1-1-87. WTA Publications. WTA Wissenschaftlich-technischer Arbeits-kreis für Denkmalpflege und Bauwerksanierung. 2008, 978-3-8167-7752-6.
6) NASSWETTROVÁ, A., P. ŠMÍRA. Porovnání horkovzdušné a mikrovlnné sterilizace dřevěných prvků na základě pohybu a rozložení teplotních polí. Sborník vědeckých a odborných příspěvků z konference Nové nedestruktivní metody diagnostiky a sanace dřevěných konstrukcí. ŠMÍRA-PRINT, s. r. o., 2014, s. 75–86. ISBN 978-80-87427-83-5.
7) NASSWETTROVA, A., K. NIKL, J. ZEJDA, V. SEBERA a J. KLEPÁRNÍK. 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., A. NASSWETTROVA, K. NIKL. 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., A. NASSWETTROVÁ. Rotační homogenizátor vysokofrekvenčního elektromagnetického pole. Užitný vzor č. UV 21 868, Úřad průmyslového vlastnictví Praha, 2011, 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. 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. Dielectric properties of wood and wood-based materials. 1sted., Berlín: Springer-Verlag, 1993, ISBN 3-540-55394-0.
13) VAŠINEK, V., J. SOLAŘ A P. ŠMÍRA. Nový přístup k měření teplot s využitím DTS ve stavebnictví. 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., P. ŠMÍRA, M. FRIEDL, J. JAROŠ, A. LÍNER, M. PÁPEŠ a V. VAŠINEK. Analýza homogenity vysokofrekvenčního elektromagnetického pole a výkonu mikrovlnného zařízení pro sterilizaci dřeva. Sborník Sanace a rekonstrukce staveb 2013. Brno, 2013, s. 22–31. ISBN 978-80-02-02502-3.
15) SOUČKOVÁ, A. 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, 2010. 
16) NASSWETTROVÁ, A., J. ŠTĚPÁNEK, T. MORAVEC, J. GABRIEL a K. ŠVEC. 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., K. Švec a F. Sklenář. Kultivace dřevomorky domácí (Serpula lacrymans) na polopřirozených substrátech a vliv mikrovlnného záření na inhibici růstu, extracelulární enzymové aktivity a na spory. Výzkumná zpráva. Mikrobiologický ústav AV ČR, v. v. i., 2013.

Ing. Andrea Nasswettrová, Ph.D., (*1984)
získala v roce 2008 magisterský titul na Mendelově univerzitě v Brně, Lesnické a dřevařské fakultě, v oboru Dřevostavby a dřevěné prvky staveb. O tři roky později na stejné fakultě získala doktorský titul. V současnosti je zaměstnancem společnosti Thermo Sanace, kde vede odbornou a výzkumnou činnost metodického pracoviště Sanace dřeva. Aktivně se věnuje výzkumu v oblasti sanace staveb a rozvijí nedestruktivní metody detekce poškození biologických struktur.

Ing. Pavel Šmíra, Ph.D., MBA, (*1960)
získal v roce 1983 na Stavební fakultě VUT v Brně magisterský titul v oboru pozemní stavby. V roce 1989 založil společnost Šmíra-Print a v roce 2010 společnost Thermo Sanace, která se zabývá sanací a rekonstrukcí památkově cenných historických objektů. Rozvijí metodu horkovzdušné sterilizace dřeva. V roce 2013 dokončil doktorský studijní program v oboru Teorie konstrukcí. V roce 2015 získal titul MBA.

Ing. et Ing. Soňa Křivánková (*1987)
získala v roce 2014 magisterský titul na VUT v Brně v oboru stavební inženýrství a v témže roce na Mendelově univerzitě v Brně v oboru dřevařské inženýrství. Během studia absolvovala roční studium na Vídeňské technické univerzitě. V současné době je zaměstnancem společnosti Thermo Sanace na pozici odborný a výzkumný pracovník metodického pracoviště Sanace dřeva. Podílí se na výzkumu v oblasti sanace a diagnostiky staveb.