Neues WKI-Rechenmodell für FormaldehydTage der Holzforschung, 20. und 21. März 2014 Neues...

© Fraunhofer WKI

Tage der Holzforschung, 20. und 21. März 2014

Neues WKI-Rechenmodell für

Formaldehyd

Überprüfung eines mathematischen Modells zur Berechnung von

Formaldehydkonzentrationen in der Raumluft

Neues WKI-Rechenmodell für Formaldehyd

B. Meyer, D. Greubel, R. Marutzky;

Fraunhofer WKI, iVTH

© Fraunhofer WKI

Seite 2



Themen der Präsentation

Ausgangssituation

Versuchsplanung: Methoden und Material

Ergebnisse

Mathematische Auswertung

Beispiele

Zusammenfassung

© Fraunhofer WKI

Seite 3



Ausgangssituation: Kammerprüfverfahren

EN 717-1

EN ISO 16000-9

ISO 12460-1:2007

GOST – New draft (GOST 30255)

ASTM E 1333

ASTM D 6007

JIS A 1901

© Fraunhofer WKI

Seite 4



Ausgangssituation: Kammerprüfverfahren – Parametervarianten

verschiedene Kammer-Methoden -

Variationen der Prüfparameter in Bezug auf:

23°C

25°C

28°C

45% 50%

N/L=1

N/L=0,5

N/L= 0,357

N/L=0,278

7 Temperatur

relative Luftfeuchte

Raumbeladung (Produktbeladungsrate)

Luftwechselzahl

(Konditionierung | Prüfzeit | Probenahme |

Bewertung: Formaldehyd, VOC)

© Fraunhofer WKI

Seite 5



Ausgangssituation: Kammerprüfverfahren – Parametervarianten (1)

Parameter EN 717-1 EN ISO 16000-9 ISO 12460-1: 2007

GOST – New draft (GOST 30255)

Temperatur (23 ± 0,5) (23 ± 2) (23 ± 0,5) (23 ± 0,5) [°C]

Rel. Luftfeuchte (45 ± 3) (50 ± 5) (50 ± 3) (50 ± 3) [%]

Luftwechselrate (1 ± 0,05) 0,5 1 1 [h-1]

Produkt

Beladungsrate

(1 ± 0,02) Siehe Anhang B

(informativ):

Bodenbelag: 0,402

Wandfläche: 1,379

Dichtungsmaterialien:

0,0115

1 1

Fußboden: 0,4

[m²/ m³]

© Fraunhofer WKI

Seite 6



Ausgangssituation Kammerprüfverfahren – Parametervarianten (2): USA/Japan

Parameter

ASTM E 1333 ASTM D 6007 JIS A 1901

Temperatur (25 ± 1) (25 ± 1) (28 ± 1) [°C]

Rel. Luftfeuchte (50 ± 5) (50 ± 5) (50 ± 5) [%]

Luftwechselrate (0,5 ± 0,05) wie ASTM E 1333:

(0,5 ± 0,05)

ODER

variabel – gemäß Q/A

Verhältnis

(0,5 ± 0,05) [h-1]

Produkt

Beladungsrate

Je nach Art des

Holzwerkstoffes

Spanplatte /

Sperrholz: 0,43

MDF/Dünn-MDF: 0,26

Beladungsraten gemäß E 1333

ABER auch:

Möglichkeit der Änderung

aufgrund variabler Q/A

Verhältnisse

1 [m²/ m³]

© Fraunhofer WKI

Seite 7



Ausgangssituation: Kammerprüfverfahren – unterschiedliche Ergebnisse

0,055

0,085

0,059 0,059

0,075

0,00

0,03

0,05

0,08

0,10

EN 717-1 ISO 16000-9(N/L=0,5)

ISO 12460-1 GOST ASTM D 6007

Fo

rmald

eh

yd

ko

nzen

trati

on

[p

pm

]

Prüfkammer-Volumen: 1 m³

Beispiel:

„Probe 1“

Spanplatte,

unbeschichtet

Messergebnis:

0,055 … 0,085 ppm

© Fraunhofer WKI

Seite 8



Ausgangssituation: Prüfung | Bewertung | Berechnung?

Globaler Markt:

Holzwerkstoffe sollen den Formaldehyd-Anforderungen

verschiedener Länder entsprechen

Modifizierung von Leimen/Produktionsparametern =

Auswirkungen auf die Formaldehydabgabe

Fragen:

Einschätzung der Formaldehydabgabe in einer

beliebigen Prüfkammer berechenbar oder muss

zwangsläufig eine Prüfung erfolgen?

Sind bekannte Rechenmodelle auch auf die heutigen

modifizierten Platten anwendbar?

© Fraunhofer WKI

Seite 9



Ausgangssituation: bekannte Rechenmodelle (1)

Bekannte mathematische Berechnungsmodelle für

die Formaldehydkonzentration in der Raumluft:

Mathematisches Rechenmodell nach I. Andersen,

Gunnar R. Lundquist und Lars Molhave „Liberation of

formaldehyde from particleboard. A mathematical

model“, veröffentlicht 1974 (bekannt als „Andersen-Gleichung“)

Mathematisches Rechenmodell nach Mehlhorn, L.:

Normierungsverfahren für die Formaldehydabgabe von

Spanplatten, veröffentlicht 1986

© Fraunhofer WKI

Seite 10



Ausgangssituation: bekannte Rechenmodelle (2)

Bereich der Formaldehydkonzentrationen, die bei

Variation von Temperatur, rel. Luftfeuchte,

Luftwechsel und Raumbeladung gemessen wurden:

Andersen (1974): 0,1 bis 2 mg/m³ (0,12 - 2,5 ppm)

Mehlhorn (1986): 0,03 bis 5,13 ppm

Andersen

Melhorn0

1

2

3

4

5

6

Fo

rmald

eh

yd

ab

gab

e

© Fraunhofer WKI

Seite 11



Voruntersuchungen: erste Ergebnisse – Variation von Luftwechsel und Beladung

Voruntersuchungen

zeigten bei

Anwendung der

umgeformten

„Andersen-

Gleichung“ *

signifikante

Abweichungen

von Messwert (blau)

zu Rechenwert (rot)

*analog DGfH-Richtlinie

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,10

1 0,5 2 1 0,5 0,5 1 0,5 1

2 2 2 1,5 1,5 1 0,5 0,5 1

Form

ald

ehydkonzentr

ation

[ppm

]

Luftwechsel

Beladung

Temperatur: 23°C

rel. Luftfeuchte: 45%

© Fraunhofer WKI

Seite 12



Projektplanung

Projektpartner:

Fraunhofer-Institut für Holzforschung |

Wilhelm-Klauditz-Institut (WKI)

iVTH - Internationaler Verein für Technische

Holzfragen e.V.

Projektthema: „Andersen-Projekt“ - Überprüfung

eines mathematischen Modells zur Berechnung von

Formaldehydkonzentrationen in der Raumluft

Zeitraum: 1.1.2012 bis 30.11.2013

© Fraunhofer WKI

Seite 13



Versuchsplanung: Probenmaterial

Probenmaterial:

unbeschichtete Spanplatten

Materialstärke: 16 mm

6 Plattentypen

3 unterschiedliche Hersteller

verschiedene Emissionspotentiale im Bereich

von „JIS“, „CARB“ bis „E2“

© Fraunhofer WKI

Seite 14



Versuchsplanung: Ausgangskonzentrationen nach EN 717-1

Proben-kennzeichnung

Formaldehyd-konzentration gemessen [ppm]

A 0,039

B 0,042

C 0,194

A Zusatz 0,026

C Zusatz 0,162

D 0,103

E 0,052

F 0,078

Kammerwerte nach

EN 717-1 bei

23°C / 45% / N/L=1

Bereich:

0,026 ppm bis

0,194 ppm

© Fraunhofer WKI

Seite 15



Versuchsplanung: Variationen der Prüfparameter

Variationsbereich der Kammerprüfungen:

Temperatur: 20 – 28°C

rel. Luftfeuchte: 45 – 50% | 25 – 80%

Raumbeladung: 0,5 – 2 m²/m³

Luftwechselzahl: 0,5 – 2 h-1

Kammerwert gemessen: 0,015 – 0,623 ppm

Kammerwert Bezug: 0,03 – 0,19 ppm

212 Kammer-

prüfungen

© Fraunhofer WKI

Seite 16



Mathematische Auswertung: Vorgehen

Modifiziertes Rechenmodell:

Parameter können nicht durch

einfache lineare Regressions-

analyse aus den Messwerten

ermittelt werden

DAHER: Auswahl eines iteratives

Rechenverfahrens

Anwendung der „Methode der

kleinsten Fehlerquadrate“ -0,25

-0,20

-0,15

-0,10

-0,05

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Ka

mm

erk

on

zen

tra

tio

n b

ere

chn

et

[pp

m]

Kammerkonzentration gemessen [ppm]

© Fraunhofer WKI

Seite 17



Mathematische Auswertung: Einflussparameter

Einflussparameter für die Bestimmung /

Berechnung der Formaldehydabgabe:

Temperatur (T) [°C]

rel. Luftfeuchte (RH) [%]

Luftwechsel (N) [h-1]

Beladung (L) [m²/m³]

Verhältnis Luftwechsel / Beladung (N/L)

© Fraunhofer WKI

Seite 18



Mathematische Auswertung: Formelgestaltung

Berechnung nach „Andersen-Gleichung“ ergibt große

Abweichungen zu Messwerten

Berechnung erfolgt ohne einen Bezugswert

Tatsache: Raumluftkonzentration ist abhängig von

Temperatur, rel. Luftfeuchte, Luftwechselrate und

Raumbeladung

Annahme: Verhältnis von Raumluftkonzentrationen

(gemessen und berechnet) ist unter gleichen

Bedingungen konstant

Umformung der „Andersen-Gleichung“ (s. DGfH-Richtlinie)

CB

•(0,0

8 T

M -

0,7

64)•

(0,1

43

HM

+0,0

48

)•(1

+0

,30

4N

B/L

B) =

CM

•(0

,08

TB -

0,7

64)•

(0,1

43

HB

+0

,04

8)•

(1+

0,3

04

NM

/LM

)

© Fraunhofer WKI

Seite 19




Umformung der „Andersen-Gleichung“:

Um die unter bestimmten Bedingungen (TM, HM, LM, NM)

gemessene Raumluftkonzentration CM in eine andere Raumluft-

konzentration CB mit Bezugsbedingungen (TB, HB, LB, NB) zu

berechnen wurde:

„Andersen-Gleichung“ aus der Literatur

C= (0,08 T - 0,764) • (0,143 H + 0,048) (1)

umgeformt zu:

(2)

1

1+0,304N/L

(0,08 TB - 0,764)•(0,143 HB + 0,048)•(1 + 0,304 NM/LM) CB = CM • ___________________________________________________________________

(0,08 TM - 0,764)•(0,143 HM + 0,048)•(1 + 0,304 NB/LB)

© Fraunhofer WKI

Seite 20



Mathematische Auswertung: Formelgestaltung – „Bezugswert“ (1)

Ursprüngliche „Andersen-Gleichung“ ohne Bezugswert:

Rechenwerte sind x-fach höher als die Messwerte

Modifizierte/umgeformte „Andersen-Gleichung“:

Einrechnung eines Bezugswerts durch die Umformung,

der Rechenwert wird damit verbessert, aber:

Konstanten / Koeffizienten entsprechen nicht mehr den

heutigen Werkstoffen

Abweichungen zwischen Mess- und Rechenwert sind

daher signifikant

© Fraunhofer WKI

Seite 21



Mathematische Auswertung: Formelgestaltung – „Bezugswert“ (2)

Mehlhorn 1986: Gasanalysewert als Bezugsgröße

damit die Plattenqualität einbezogen

emissionsärmere Spanplatten für die Untersuchungen

eingesetzt (im Vergleich zu Andersen)

WKI-Ansatz:

Kammer-Methode nach EN 717-1 als Bezugswert

Entwicklung eines kompakten Rechenmodells

Anpassung der Konstanten, um dem Emissionsverhalten

heutiger Werkstoffe zu entsprechen

© Fraunhofer WKI

Seite 22




Entwicklung eines ‘linearen‘ Rechenmodells mit einem

Bezugswert, ermittelt nach EN 717-1 (23°C / 45%RH / N/L=1)

mit rel. Luftfeuchte als Einflussgröße

C=0,00555 ∙(CBezug + 0,008)∙(T – 12,7)∙(RH – 1,2)

1

1+1,75 N/L

© Fraunhofer WKI

Seite 23



Mathematische Auswertung: Variation N und L – ‘Lineares‘ Rechenmodell

Beis

pie

l: „

Pro

be A

“

0,000

0,010

0,020

0,030

0,040

0,050

0,060

0,070

1 0,5 1 0,5 0,5 1 1

2 2 1,5 1,5 1 0,5 1

Luftwechsel Beladung

gemessen[ppm]

berechnet nachumgeformterAndersen-Gleichung[ppm]

berechnetnach WKI linearmit rel. Luftfeuchte[ppm]

Temperatur: 23°C


© Fraunhofer WKI

Seite 24



Mathematische Auswertung: Verteilung von T und RH für die Versuchsreihe 1-3

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

15 17 19 21 23 25 27 29

rel. L

uft

feu

ch

te [

%]

Temperatur [°C]

Versuchs-reihe 1

Versuchs-reihe 2

Versuchs-reihe 3

© Fraunhofer WKI

Seite 25



Mathematische Auswertung: Variation Luftfeuchte – ‘Lineares‘ Rechenmodell

Beis

pie

l: „

Pro

be F

“

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

25 45 55 65 80

Kam

me

rko

nzen

trati

on

[p

pm

]

rel. Luftfeuchte [%]

gemessenerKammerwert[ppm]

berechnet mit'linearem' WKI-Rechenmodell

Temperatur: 23°C

Luftwechsel: 1/h

Beladung: 1 m²/m³

© Fraunhofer WKI

Seite 26



Mathematische Auswertung: Variation Luftfeuchte - Messwerte

Einfluss der

relativen Luft-

feuchte auf die

Formaldehyd-

konzentration

in der Kammer

Messwerte

„Probe F“ 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Fo

rma

lde

hy

dk

on

zen

tra

tio

n,

ge

me

sse

n [

pp

m]


Temperatur: 23°C

Luftwechsel: 1/h

Beladung: 1 m²/m³

© Fraunhofer WKI

Seite 27



Mathematische Auswertung: ‘Exponentielles‘ Rechenmodell

Für den gesamten Datenbestand wurde mittels der

Exponentialfunktion folgender Zusammenhang für den Bezugswert

nach EN 717-1 und die relative Luftfeuchte als Einflussgröße

berechnet:

C=0,0366 ∙ CBezug∙ (T-13,15) ∙(e (0,0403∙RH) + 2,073)

1

1+2,07 N/L

© Fraunhofer WKI

Seite 28



Mathematische Auswertung: ‘Exponentielles‘ Rechenmodell

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

25 45 55 65 80

Kam

me

rwe

rt [

pp

m]


Messwerte

RW linear

RW expo

Temperatur: 23°C

Luftwechsel: 1/h

Beladung: 1 m²/m³

© Fraunhofer WKI

Seite 29



Zusammenfassung (1)

Ergebnis des Projektes:

Konstante KN/L ist entscheidende Einflussgröße bei der

Berechnung der Formaldehydabgabe - neben den klimatischen

Prüfparametern

KN/L beschreibt den „Widerstand“, welcher der Formaldehydabgabe

entgegengebracht wird

Dieser „Widerstand“ umfasst

Diffusion von freiem Formaldehyd innerhalb der Platte

einen sogenannten Übergangswiderstand aus der Platte

heraus in die Umgebungsluft

die Formaldehyd-Entstehungsrate

© Fraunhofer WKI

Seite 30



Zusammenfassung (2)

Im Laufe der Jahre hat dieser Faktor deutlich zugenommen,

maßgeblich sind hierbei Weiterentwicklungen der Leime:

*Mittelwert aus allen Versuchsreihen

Auswertung der Prüfergebnisse für Daten

Verhältnis Luftwechsel / Beladung

Berechnung

Konstante KN/L

Andersen et al. 1974 0,304

Mehlhorn 1986 0,97

WKI Versuchsplatten 2012/2013 - ‘linear‘* 1,75

WKI Versuchsplatten 2012/2013 - ‘expo‘* 2,07

© Fraunhofer WKI

Seite 31



Zusammenfassung (3)

Sowohl die Untersuchungen von Andersen als auch

die von Mehlhorn basierten auf

Materialien mit sehr hohem Formaldehydgehalt

grundsätzlich andere Leimzusammensetzungen

bzw. Molverhältnisse (= Stand der damaligen

Technik)

Folge:

hoher Formaldehydgehalt der Leimharze verursacht

eine schnelle Nachbildung von Formaldehyd

[Marutzky, Schripp, 2010]

© Fraunhofer WKI

Seite 32



Zusammenfassung (3)

Heutiger Stand der Technik:

Formaldehydarme Spanplatten durch

Veränderung der Produktionsparameter

Modifizierung der Leimharze

Folge:

Die Formaldehydabgabe unterscheidet sich im

Formaldehydpotential

Verlauf der Formaldehydkonzentration in

der Prüfkammer [Marutzky, Schripp, 2010]

© Fraunhofer WKI

Seite 33



Zusammenfassung: ‘Lineares‘ WKI-Rechenmodell

WKI-Rechenmodell:

Möglichkeit der Umrechnung auf die sich einstellende

Formaldehydkonzentration bei Variation der Prüfparameter

(mit Formaldehyd-Bezugswert, gemessen bei

Standardprüfbedingungen in einer Kammer nach EN 717-1):

C = 0,00555 ∙(CBezug +0,008)∙(T – 12,7)∙(RH – 1,2)

Feuchtebereich: 30 bis 50%

1

1+1,75 N/L

© Fraunhofer WKI

Seite 34



Zusammenfassung: ‘Exponentielles‘ WKI-Rechenmodell

Das WKI-Rechenmodell mit Exponentialfunktion bietet dann eine

Erweiterung der Gültigkeit bzw. Anwendung auch für einen größeren

Feuchtebereich von 30 bis 80%:

C=0,0366 ∙ CBezug ∙ (T-13,15)∙(e (0,0403∙RH) + 2,073)

1

1+2,07 N/L

© Fraunhofer WKI

Seite 35



Zusammenfassung: WKI-Rechenmodell mit Materialkennwert (Gasanalyse)

Parallel zur den WKI-Rechenmodellen mit Kammer-Bezugswert

wurde das ‘lineare‘ Rechenmodell mit Bezug zum

Gasanalysewert (GW) in [mg/(h.m²)] entwickelt:

C = 0,000159 ∙(GW + 0,169)∙(T - 13,7)∙(RH + 14,2)

Der Gasanalysewert kann bedingt zur Umrechnung genutzt werden, der hier

berechnete Kammerwert ist aber auf Grund der grundsätzlichen Problematik

der Korrelation von abgeleiteten Materialkennwerten zur Kammer-Methode

nicht gesichert bewertbar. (für Feuchtebereich 30 – 50%)

1

1+2,03 N/L

© Fraunhofer WKI

Seite 36



Zusammenfassung: Beispiel (1) – Variation von N und L

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,10

1 0,5 2 1 1 0,5 0,5 1

2 2 2 1 1,5 1,5 1 0,5

Form

ald

ehyd

kon

zen

trat

ion

[p

pm

]


Messwert23 45

WKI expoberechnet

Beis

pie

l „Pro

be B

“

Temperatur: 23°C


© Fraunhofer WKI

Seite 37



Zusammenfassung: Beispiel (2) – Variation von N und L

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

1 0,5 2 1 1 0,5 0,5 1

2 2 2 1 1,5 1,5 1 0,5

Form

ald

ehyd

kon

zen

trat

ion

[p

pm

]


Messwert23 45

WKI expoberechnet

Beis

pie

l „Pro

be C

“

Temperatur: 23°C


© Fraunhofer WKI

Seite 38



Zusammenfassung: Beispiel (3) – Variation T und RH

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

25 45 65 25 45 65 25 45 65

20 20 20 23 23 23 28 28 28

Form

ald

ehyd

kon

zen

trat

ion

[p

pm

]

rel. Luftfeuchte [%] Temperatur [°C]

Messwert

RechenwertAndersen

RechenwertWKI expo

Beis

pie

l „Pro

be E

“

Luftwechsel: 1/h

Raumbeladung: 1 m²/m³

© Fraunhofer WKI

Seite 39



Zusammenfassung: Ziel erreicht?

WKI-Rechenmodell

Ergebnis ist näher am Kammer-Messwert -

im Vergleich zum Andersen-Modell

Exponentialfunktion verbessert Ergebnis

der berechneten Kammerkonzentration

Einfluss der rel. Luftfeuchte wird mehr als in

anderen Rechenmodellen berücksichtigt

ABER: sehr hohe Beladung und geringe

Luftwechselraten zeigen z.T. noch

signifikante Abweichungen zu Messwerten

mögliche plattenspezifische

Einflussfaktoren (hier: Konstante KN/L)

© Fraunhofer WKI

Seite 40



Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit!

Date post:	20-Jul-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	1 times
Download:	0 times

Neues WKI-Rechenmodell für FormaldehydTage der Holzforschung, 20. und 21. März 2014 Neues...

Documents