Holzfeuchte

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Feuchtigkeitsmessung an einer Europalette

Als Holzfeuchte oder Holzfeuchtigkeit $u$ wird das Verhältnis der im Holz enthaltenen Wassermasse zur Trockenmasse des Holzes in Prozent bezeichnet. Sie ist nicht zu verwechseln mit dem Wassergehalt des Holzes, welche das Verhältnis von der im Holz enthaltenen Wassermasse zur Gesamtmasse des (feuchten) Holzes in Prozent wiedergibt.

Die Holzfeuchte ist eine der wichtigsten Kenngrößen der Holzbearbeitung wie auch für Energieholz. Sie ist im niedrigen Bereich von 5 bis ca. 50 % einfach mit im Handel erhältlichen Holzfeuchtemessgeräten zu bestimmen.

Grundlagen

Die Holzfeuchte ist eine ausschlaggebende Zustandsgröße des Werkstoffes Holz für seine technologischen und mechanischen Eigenschaften. Ändert sich der Feuchtegehalt des Holzes unterhalb der Fasersättigung, so hat dies entscheidenden Einfluss auf seine Eigenschaften, es beginnt z. B. zu quellen oder zu schwinden. Auch kann Holz ab einer bestimmtem Holzfeuchte deutlich einfacher gebogen werden (siehe Bugholz). Bei einem Feuchtegehalt über der holzartenspezifischen Fasersättigung kann Holz weitere Feuchtigkeit nur noch in Form von freiem Wasser in den Lumina seiner Zellen aufnehmen, was nur geringen Einfluss auf seine physikalischen und mechanischen Eigenschaften hat.

Holz schwindet ab einer Holzfeuchte unterhalb des Fasersättigungsbereiches, der je nach Holzart variiert. Fasersättigungsbereich bezeichnet den Feuchteanteil, bei dem das gesamte Wasser aus den Zellhohlräumen entwichen ist und das in den Zellwänden gebundene Wasser auszutrocknen beginnt, wodurch sich die Zelle zusammenzieht. Dieser Schwindungs-Vorgang wird durch die Aufnahme von Wasser (z. B. bei Anstieg der Luftfeuchte) umgekehrt, das Holz quillt. Die Dimensions­änderung unterhalb des Fasersättigungsbereiches, die umgangssprachlich auch als das Arbeiten des Holzes bezeichnet wird, kann bei einer Verwendung für Möbel oder bauliche Zwecke ungünstig sein. Deshalb ist es wichtig, die Zielfeuchte des einzusetzenden Holzes dem Umgebungsklima anzupassen, in dem es verwendet werden soll: im Außenbereich feuchter, im Innenausbau trockener.

Im Holz, das nicht direkter Befeuchtung ausgesetzt ist (z. B. durch Bewitterung oder Erdfeuchte), stellt sich mit der Zeit eine bestimmte, von der relativen Luftfeuchtigkeit und der Temperatur abhängige Ausgleichsfeuchte ein. Dieser Zustand wird lufttrocken genannt (etwa bei trockenem Brennholz). Eine weitere Trocknung lässt sich nur durch technische Mittel erreichen, etwa durch Lagerung in beheizten Räumen oder Trockenkammern.

Der Feuchtebereich des Holzes bis zur Fasersättigung wird auch als hygroskopischer Bereich bezeichnet. In diesem wird Feuchtigkeit vom Holz sorptiv aufgenommen und als gebundenes Wasser in die Zellwände eingelagert. Die Sorption findet abhängig von den Bindungsarten des Wassers in drei Phasen statt, die sich teilweise überlagern und räumlich ungleichmäßig verteilt auftreten:

• Chemisorption (Physisorption) findet bei einem Feuchtigkeitsgehalt des Holzes von etwa 0 bis 6 % statt. Hierbei wird bei einer relativen Luftfeuchte von bis zu rund 20 % Feuchtigkeit als monomolekulare Schicht an die Cellulosemicellen gebunden. Wasser-Dipole richten sich dabei an negativen Polen der freiliegenden Cellulose-OH-Gruppen aus und beanspruchen aufgrund dessen ein geringeres Volumen als zuvor. Dieser chemische Vorgang findet intermicellar, also an der Oberfläche des Micellgerüsts statt, ausgehen von dessen Lockerstellen. Der Vorgang kann als molekulare Sorption betrachtet werden. Solange noch kaum kristalline Bereiche verschoben werden, vergrößert sich dabei das Volumen des Holzes noch nicht wesentlich.
• Adsorption geschieht bei 6 bis 15 % Holzfeuchte und etwa 20 % bis 60 % relativer Luftfeuchte. Die Wassermoleküle lagern sich aufgrund von elektrostatischen sowie Van-der-Waals-Kräften nun polymolekular, also in mehreren Schichten, ab, die jedoch nicht gleichmäßig verteilt auftreten. Mit zunehmender Schichtung lösen sich die Wassermoleküle von den Grenzschichten der Micellen, beginnen zu fließen und ihre Oberflächenspannung macht sich bemerkbar.
• Kapillarkondensation stellt sich von 15 % bis zur holzartenspezifischen Fasersättigung zwischen 24 % und 32 % Holzfeuchte und ab etwa 60 % relativer Luftfeuchte ein. Die Kondensation tritt in Kapillaren mit Radien von 50 nm bis 1 µm aufgrund des dort geringeren Dampfsättigungsdrucks auf. Diese sind ebenfalls ein Teil der Zellwandstruktur. Die intermicellaren und interfibrillaren Hohlräume füllen sich nun vollständig mit flüssigem Wasser. Wenn sich die Fibrillen wegen der relativ festen kristallinen Bindungen nicht weiter ausdehnen können, ist der Fasersättigungspunkt erreicht.

In der Natur weist das Splintholz deutlich höhere Holzfeuchte auf als das Kernholz, da im Splintholz unter der Rinde der Wassertransport des Baumes erfolgt. Ebenso hat die Holzfeuchte einen großen Einfluss auf die Gefährdung durch Holzschädlinge wie Pilze und Insekten.

Absolut trocken (atro), lufttrocken (lutro), wald- und saft- bzw. fällfrisch

Bezeichnungen in der Reihenfolge des Ablaufs (abnehmende Feuchte):

• Fällfrisch oder saftfrisch ist die Bezeichnung für das Holz direkt nach der Fällung, mit ca. 60 bis 150 % Holzfeuchte. Beides nennt man Grünholz.
• Waldfrisch ist der forstfachsprachliche Ausdruck für das Holz, das nach Zwischenlagerung abtransportiert wird und eine Holzfeuchte von ca. 60 % aufweist.
• Sägefrisch ist eine handelsübliche Bezeichnung für frisch eingeschnittenes aber noch ungetrocknetes Holz.
• Lufttrocken bezeichnet den Zustand des Feuchtegleichgewichts mit der Umgebungsluft nach mehrjähriger Lagerung im Freien. Die Holzfeuchte beträgt ca. 15 %.
• Als darr­trocken wird absolut trockenes Holz (0 % Holzfeuchte) bezeichnet, das durch Trocknung bei 103 °C auf seine Trockenmasse reduziert wurde.

In Schleif- und Faserholzindustrie (Industrieholz) sowie im Bioenergiebereich haben sich spezielle Maßeinheiten etabliert:

• die Tonne absolut trocken (t-atro, „Atro-Tonne“) ist die Maßeinheit für die Masse einer Tonne absolut trockenen Holzes
• bei der Tonne lufttrocken (t-lutro, „Lutro-Tonne“) ist der jeweilige Wassergehalt berücksichtigt. Lufttrocken kann bei Industrieholz deutlich oberhalb der üblichen Verwendung für Bau- und Brennholz liegen und sich bis zu waldfrisch erstrecken, denn so wird der Rohstoff der industriellen Fertigung und Verarbeitung meist geliefert.

Atro-Masse zu Festmeter nach Holzart

Holzart	AMO/FMO	FMO/AMO	AOO/FOO	FOO/AOO
Eiche	0,74 t-atro/m³	1,35 m³/t-atro	0,63 t-atro/m³	1,59 m³/t-atro
Buche (Rotbuche)	0,71 t-atro/m³	1,41 m³/t-atro	0,65 t-atro/m³	1,53 m³/t-atro
Fichte / Tanne	0,47 t-atro/m³	2,11 m³/t-atro	0,42 t-atro/m³	2,40 m³/t-atro
Pappel	0,40 t-atro/m³	2,49 m³/t-atro	0,35 t-atro/m³	2,86 m³/t-atro

mit

• AMO: Atro-Tonne, mit Rinde geliefert, ohne Rinde weiterverwendet
• AOO: Atro-Tonne, ohne Rinde geliefert, ohne Rinde weiterverwendet
• FMO: Festmeter, mit Rinde geliefert, ohne Rinde weiterverwendet
• FOO: Festmeter, ohne Rinde geliefert, ohne Rinde weiterverwendet

Aus einer Tonne, bestehend aus kompletten Fichtenbäumen, werden theoretisch 2,1 Festmeter trockener Holzwerkstoff gewonnen

Definition

Die Holzfeuchte ist definiert als prozentualer Einheitswert aus der Masse des in der Holzprobe enthaltenen Wassers (Wassermasse m_w) und der Masse der wasserfreien (darrtrockenen) Holzprobe (Trockenmasse m₀):

$u={\frac {m_{w}}{m_{0}}}\cdot 100\,\%.$

EN 335
Titel	Dauerhaftigkeit von Holz und Holzprodukten - Gebrauchsklassen: Definitionen, Anwendung bei Vollholz und Holzprodukten
Letzte Ausgabe	20. März 2013
Klassifikation	71.100.50, 79.040
Nationale Normen	DIN EN 335, ÖNORM EN 335, SN EN 335

Die Definition der Holzfeuchte findet sich in der EN 13183-1 – Feuchtegehalt eines Stückes Schnittholz.

Außerdem gilt:

$m_{w}=m_{u}-m_{0}\quad \Leftrightarrow \quad m_{u}=m_{0}+m_{w}\quad \Rightarrow \quad u={\frac {m_{u}-m_{0}}{m_{0}}}={\frac {m_{u}}{m_{0}}}-1$

mit

• m_u: Gesamtmasse der feuchten Probe (Nassgewicht)
• m₀: Trockenmasse einer Normprobe gleicher Größe (Darrgewicht).

Ist das Normgewicht (spezifische Gewicht, anhand der Rohdichte) des darrtrockenen Holzes einer bestimmten Holzsorte und Qualität bekannt, so kann, mit der Menge $m_{w}$ des entzogenen Wassers bzw. mit dem Nassgewicht $m_{u}$, der ursprünglichen Wasseranteil $u$ bestimmen werden.

Darrfeuchtes Holz hat 0 % Holzfeuchte, lufttrockenes grob um 10–20 % (bestenfalls um die 8–10 %); Holz mit 100 % Holzfeuchte hat genauso viel Wasser- wie Holzmasse, was für frisches Holz typisch ist. Am lebenden Holz mit Rinde kann die Holzfeuchte über 100 % betragen, der Baum kann also mehr Wasser in sich speichern als seine Holzmasse ausmacht.

Typische Feuchtegrade von Nutzholz (Richtwerte): Zustand Feuchte Fällfrisch bis 150 % Wassergesättigt 100 % Waldfrisch ca. 60 % Fasersättigungsbereich 28–32 % Außengelagert 15–18 % Fenster und Haustüren 12–15 % Innenräume ohne Heizung, Holzwerkstoffe für Küchenmöbel 10–12 % Innenräume mit Ofenheizung, Wohnraummöbel 8–10 % Fußböden, Parkett 5–13 % Innenräume mit Zentralheizung, Heizkörperverkleidungen 6–8 % Darrzustand 0 % Beispiele für Holzsorten: Eigenschaft Fichte Tanne Eiche (europ.) Robinie Holzfeuchte (in %) umax (saftfrisch) 130–160(1) 120–150(1) 70–100(2) 70–100(2) u65 (Normalfeuchte) 11,9(3) 11,5(3) 13,0(3) 11,2(3) Dichte („Gewicht“) (in kg/m3) entrindet, waldfrisch 750–850 800–980 1180–1170 Schnittholz, lufttrocken 480 460 870 Rohdichte ρH 440–470 430–460 650–760 690–750 (1) für Splint; Kern- und Reifholz etwa ein Drittel (2) für Splint; Kern- und Reifholz etwa vier fünftel (3) Es handelt sich um Mittelwerte. Größere Streuungen der Werte sind möglich.

Holzfeuchte und Wassergehalt

Die Holzfeuchte wird auf die Trockenmasse bezogen, der Wassergehalt (Feuchtegehalt) $w$ hingegen auf die Gesamtmasse des feuchten Holzes:

$w={\frac {m_{w}}{m_{0}+m_{w}}}\cdot 100\,\%$

Darrtrockenes Holz hat einen Wassergehalt von 0 %, lufttrockenes Holz liegt noch etwa bei denselben Werten wie die Holzfeuchte, wassergesättigtes Holz hat 50 % Wassergehalt, und der Wassergehalt kann 100 % nicht erreichen (das wäre reines Wasser ohne Holzanteil).

Umrechnung zwischen Holzfeuchte $u$ und Wassergehalt $w$ (Achtung, beide Werte als Dezimalbrüche, z. B. $u=0{,}1=10\,\%$):

$u={\frac {w}{1-w}}\quad \Leftrightarrow \quad w={\frac {u}{1+u}}$

Typische Werte

w in %	05	10	15	20	25	30	35	40	45	50	55	60
u in %	05	11	18	25	33	43	54	67	82	100	122	150

Beispiel

Wird bei einer Lieferung Fichten-Industrieholz ein Lutro-Gewicht (lufttrocken) von 25.000 kg gewogen

$m_{\text{lutro}}=m_{\text{0}}+m_{\text{w}}=25.000\,{\text{kg}}=25\,{\text{t}}$

und ein Trockengehalt von 50 % ermittelt (Wassergehalt 50 % entspricht Holzfeuchte 100 %)

$w={\frac {m_{\text{w}}}{m_{\text{0}}+m_{\text{w}}}}=0{,}5\quad \Rightarrow \quad m_{\text{w}}=w\cdot (m_{\text{0}}+m_{\text{w}})=12{,}5\,{\text{t}},$

so errechnet sich das Atrogewicht zu

$m_{\text{atro}}=m_{\text{0}}=m_{\text{w}}\cdot \left({\frac {1}{w}}-1\right)=12{,}5\,{\text{t}}.$

Dieses Gewicht dividiert durch den Bemessungsrichtwert für Fichte forstlich geliefert (vgl. Tabelle oben „Atro-Masse …“) ergibt eine Holzmenge von

$V={\frac {m_{\text{atro}}}{0{,}47\,\mathrm {\tfrac {t}{FMO}} }}=m_{\text{atro}}\cdot 2{,}11\,\mathrm {\tfrac {FMO}{t}} =26{,}4\,{\text{FMO}}$ (Festmeter für die Weiterverarbeitung).

Holzfeuchte-Gleichgewicht und Normalfeuchte

Holz ist hygroskopisch und reagiert somit auf Schwankungen der Luftfeuchtigkeit: wenn die Luftfeuchtigkeit sinkt, fällt auch die Holzfeuchtigkeit, und umgekehrt. Es gibt somit einen konstanten Zusammenhang zwischen der Luftfeuchtigkeit und der Holzfeuchte, dieser wird Holzfeuchte- oder Sorptionsgleichgewicht (Auf-/Abgabegleichgewicht) genannt. Dieses Gleichgewicht stellt sich nicht spontan ein, sondern benötigt je nach Dicke des Holzes und Holzart einige Zeit.

Die Normalfeuchte u_N (auch: u₆₅) ist diejenige Holzfeuchte, die sich bei einem Normalklima (Index _N) mit 20 °C und 65 % relative Luftfeuchte einstellt. Sie ist ein Materialkennwert der Holzsorte.

Es besteht folgender Zusammenhang zwischen der Holzausgleichsfeuchte und den Nutzungsklassen:

• Nutzungsklasse 1 (NKL 1)

Holzausgleichsfeuchte 5 bis 15 %, meist nicht > 12 %, entsprechend einer Temperatur von 20 °C und einer relativen Luftfeuchte der umgebenden Luft, die nur für einige Wochen pro Jahr einen Wert von 65 % übersteigt.

• Nutzungsklasse 2 (NKL 2)

Holzausgleichsfeuchte 10 bis 20 %, entsprechend einer Temperatur von 20 °C und einer relativen Luftfeuchte der umgebenden Luft, die nur für einige Wochen pro Jahr einen Wert von 85 % übersteigt.

• Nutzungsklasse 3 (NKL 3)

Holzausgleichsfeuchte 12 bis 24 %, entsprechend Klimabedingungen, die zu höheren Holzfeuchten führen, als in Nutzungsklasse 2 angegeben.

Um einen Zusammenhang zwischen der Holzfeuchtigkeit und der relativen Luftfeuchtigkeit zu erkennen, werden Sorptionsisotherme genutzt. Diese Diagramme werden experimentell in einem Klimaschrank oder in einem Exsikkator, jeweils für eine bestimmte Temperatur erstellt. Das Sorptionsgleichgewicht von Holz liegt bei Entzug von Wasser, höher als bei der Wasseraufnahme. Der Entzug von Wasser wird auch Desorption genannt, während die Aufnahme von Wasser Absorption genannt wird. Die zwei Sorptionskurven (Sorptionsisothermen) sind damit nicht deckungsgleich, sondern bilden eine Schleife. Der Unterschied zwischen dem hygroskopischen Gleichgewicht bei Desorption und Adsorption wird als Hysterese bezeichnet.

Bestimmungsmethoden

Es gibt direkte und indirekte Messverfahren zur Ermittlung der Holzfeuchte. Das am Häufigsten angewendete direkte Verfahren ist die Darrmethode, bei der die Holzfeuchte über den Masseverlust der Probe berechnet wird. Dazu wird zuerst die nasse Probe gewogen und später in einem Wärmeschrank bei 103 ± 2 °C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet und wieder gewogen.

Vorteil dieser Methode ist, dass keine Kalibrierung der Messgeräte erfolgen muss und dass die Ergebnisse mit relativ hoher Wahrscheinlichkeit richtig sind. Nachteil dieser Methode ist, dass diese nicht zerstörungsfrei durchzuführen ist und dass sich durch akzessorische Stoffe im Holz Messungenauigkeiten einschleichen können. Die Durchführung diese Verfahrens ist in der DIN EN 13183-1 „Feuchtegehalt eines Stückes Schnittholz Teil 1: Bestimmung durch Darrverfahren“ geregelt. Falls eine höhere Messgenauigkeit erwartet wird, kann das aufwendige Destillations- bzw. Extraktionsverfahren zur Anwendung kommen. Dies ist aber in der Forstbranche relativ selten anzutreffen.

Die indirekten Messverfahren verändern den Wassergehalt im Holz nicht, sondern korrelieren diesen über Messgrößen wie:

• den ohmschen Widerstand bzw. die elektrische Leitfähigkeit,
• die Kapazität eines Kondensators mit Holz als Dielektrikum,
• die Masse (Gewicht),
• die Gleichgewichtsfeuchte.

Voraussetzungen aller dieser Verfahren ist, wie schon erwähnt, eine möglichst genaue Korrelation zwischen der zu ermittelnden Holzfeuchtigkeit und der verwendeten Hilfsgröße.

Elektrische Feuchtemessverfahren haben eine weite Verbreitung in den automatisierten holzverarbeitenden Branchen. Dabei wird bei niedriger Gleichspannung eine elektrische Messung des ohmschen Widerstandes vorgenommen, anhand dessen dann auf die Holzfeuchte zurückgeschlossen werden kann. Die Messung erfolgt meist in der Trockenkammer und der ermittelte Feuchtigkeitswert wird direkt an die Regelungstechnik geschickt, um eine bestmögliche Trocknung des Holzes zu erreichen. Diese Messung des ohmschen Widerstands ist laut Norm von 1 % bis 30 % Holzfeuchte zulässig. Diese Ermittlung der Feuchtigkeit ist in der DIN EN 13183-2 „Feuchtegehalt eines Stückes Schnittholz Teil 2: Schätzung durch elektrisches Widerstands-Messverfahren“ geregelt.

Die Feuchtemessung über die Messung der Kapazität bzw. der Dielektrizitätszahl ist in einem Bereich von 7 % bis 30 % laut DIN EN 13183-3 „Feuchtegehalt eines Stückes Schnittholz - Teil 3: Schätzung durch kapazitives Messverfahren“ anwendbar. Dieses indirekte Messverfahren wird oft bevorzugt, da es keine Beeinträchtigung des Holzes hervorruft. Bei diesem Verfahren wird eine Messelektrode, z. B. in Form eines Bügels angelegt. Die vom Bügel ausgestrahlten Hochfrequenzwellen durchdringen das Messgut bis in eine Tiefe von etwa 50 mm und durch die unterschiedlichen Dielektrizitätskontanten von Wasser (ε_r = 80) und Holz (ε_r ≈ 23,5) kann die Feuchtemessung erfolgen. Im Gegenteil zu den vorigen Messverfahren, wird bei diesem nicht die feuchteste Holzschicht als Messergebnis ausgegeben, sondern es liefert einen Mittelwert für die Holzfeuchte. Nachteilig ist aber, dass dieses Verfahren im großen Maße abhängig von der Rohdichte (ρ) des Holzes ist und diese nicht immer ausreichend berücksichtigt werden kann. Dies, wie auch der Fall, dass naheliegende Metalle an der Messelektrode liegen, können das Messergebnis verfälschen. Weitere indirekte Messmethoden sind:

• Messung der Schwindung einer Holzprobe durch Feuchteabnahme

Diese Art der Messung ist ungenau und abhängig von Art und Genauigkeit der Ermittlung der Anfangsfeuchte.

• Wärmestrommessung oder Temperaturdifferenzverfahren

Erbringt nur eine Aussage über die Feuchteabnahme nicht über die Holzfeuchte an sich.

• Radiometrische Messverfahren

Bei diesem Verfahren sind keine ausreichenden Erfahrungen mit dem Werkstoff Holz vorhanden.

Es gibt des Weiteren die Möglichkeit mit dem KEYLWERTH-Diagramm auf die konstante Holzfeuchtigkeit zu schließen. Hierfür wird die Trocknungstemperatur (T) und die konstante Feuchtetemperatur (F) benötigt. Diese Methode ist ungenau, wird aber trotzdem in der industriellen Holztrocknung eingesetzt.

Einfluss auf die Verbrennung

Heizwerte verschiedener Baumarten abhängig von der Holzfeuchte

Wassergehalt im Holz [%]		0	15	20	30	50
Baumart	Einheit	Heizwert
Fichte, Kiefer	kWh/kg	5,20	4,32	4,02	3,44	2,26
	%	100	83	77	66	43
Buche, Eiche, Pappel	kWh/kg	5,00	4,15	3,86	3,30	2,16
	%	100	83	77	66	43

Die Holzfeuchte (bzw. der Wassergehalt) hat einen grundlegenden Einfluss auf den Brennwert:

• waldfrisches Brennholz hat einen Brennwert von 6,8 MJ/kg
• lufttrockenes Brennholz 14,4–15,8 MJ/kg
• thermisch getrocknete Holzpellets oder Holzbriketts 17,5–18 MJ/kg.

Bei der Verbrennung von Holz wird neben der Holzfeuchte auch Wasserdampf freigesetzt, der aus der Oxidation der Wasserstoff­atome stammt, die in den Inhaltsstoffen (vor allem Cellulose, Hemicellulosen und Lignin) chemisch gebunden sind. Dieses „Verbrennungswasser“ sorgt für eine Differenz zwischen Brenn- und Heizwert: zu seiner Verdampfung (bzw. auch zur Verdampfung der flüchtigen organischen Verbindungen) wird eine bestimmte spezifische Energie benötigt. Dies ist gerade jener Energieanteil, der bei Brennwertkesseln durch Rekondensation genutzt werden kann. Daher wird das zu verbrennende Holz vor der Verfeuerung getrocknet, beispielsweise durch eine Hackschnitzeltrocknungsanlage.

Siehe auch

• Darrdichte
• Darrfeuchte
• Hygroskopie
• Gebrauchsklasse (Holzschutz)
• Holzschädling
• Holzschädlingsbekämpfung
• Sorptionsisotherme

Literatur

• Thomas Trübswetter: Holztrocknung: Verfahren zur Trocknung von Schnittholz – Planung von Trocknungsanlagen, Hanser Verlag, 2006, ISBN 978-3-446-40477-9 (Definitionen insb. Kap. 3.3 Holzfeuchte, S. 23–38)