Pufferwirkung

Pufferwirkung des Baumstammes

Die relative Luftfeuchte in der Baumhöhle und die Feuchtigkeit der sie umgebenden Holzwände stehen in einer direkten Wechselwirkung, sie streben ein Gleichgewicht an. Zu jeder Luftfeuchtigkeit stellt sich eine bestimmte Holzfeuchte ein, die Holzausgleichsfeuchte. Umgekehrt verhält es sich genauso: In der Baumhöhle passt sich die relative Luftfeuchte auch Veränderungen der Holzfeuchte an.

Im Laufe der Entstehung einer Baumhöhle trocknen die Höhlenwände auf einen Holzfeuchtegehalt weit unterhalb der Fasersättigung aus (Fasersättigung ist die Holzausgleichsfeuchte, die sich bei 100% relativer Luftfeuchtigkeit im Holz einstellt). Entscheidend hierfür sind die Belüftungssituation, das Alter der Höhle, die Holzart, die Geometrie des Baumes und die Witterungseinflüsse denen die Baumhöhle ausgesetzt ist.

Dieses getrocknete Holzvolumen steht nun als Puffer für Feuchtigkeitsschwankungen zur Verfügung. Der Puffer ist so groß, dass er ohne weiteres die komplette durch ein Bienenvolk anfallende Feuchtigkeit in den Wintermonaten aufnehmen kann. In den Sommermonaten wird durch die Belüftung der Bienen die Luftfeuchte in der Baumhöhle dauerhaft gesenkt. Die Höhlenwände geben nun die im Winter aufgenommene Feuchtigkeit wieder an die Luft ab.

Aufgrund der großen Pufferwirkung des Holzes ist es in den kalten Monaten gar nicht nötig die Feuchtigkeit mit Luftbewegungen bis vor das Flugloch zu befördern. Die Feuchtigkeit wird durch Sorption vom Holz aufgenommen. Die Bienen unterstützen diesen Prozess indem sie die warme feuchtere Luft einfach in kühlere Bereiche der Baumhöhle fächeln. Hier steigt die relative Luftfeuchte durch Abkühlung der Luft so weit an, dass die Feuchtigkeit vom Holz aufgenommen und bis zum Sommer gepuffert wird. Mit diesem System geht den Bienen kaum Wärme verloren, sie bleibt größtenteils innerhalb der Baumhöhle erhalten.

Berechnung der Puffergröße

Folgend stelle ich eine Modellrechnung zur Ermittlung der Puffergröße vor. Hierfür werden verschiedene Annahmen getroffen. Aktuell liegen noch keine Messdaten aus von Bienen bewohnten Baumhöhlen vor, um diese Annahmen zu überprüfen.

Der die Baumhöhle umgebende Puffer ist an den Seitenwänden dünner als an Decke und Boden. Dies hat mit der Faserrichtung des Holzes und den verschiedenen Transportgeschwindigkeiten in und quer zur Faserrichtung zu tun. Bestandteil des Puffers kann nur das Kern- und Reifholz sein, die wasserführenden Holzschichten (Splintholz) können keine zusätzliche Feuchtigkeit aufnehmen.
Betrachten wir die Holzfeuchte des Reifholzes zwischen dem Übergang zur wasserführenden Schicht und an der Baumhöhlen-Seitenwand: An der Seite der Baumhöhle stellt sich die Holzausgleichsfeuchte zur vorliegenden relativen Luftfeuchte ein (bei rF 60% eine Holzfeuchte von 11,12%). Die wasserführenden Schichten (Splintholz) haben je nach Holzart einen Feuchtegehalt von bis zu 150% (also das 1,5fache des Trockengewichtes). Der prozentuale  Anteil des Splintholzes am Baumstamm sinkt mit dem Alter des Baumes. Reif- und Kernholzanteil nehmen im Laufe der Jahre immer weiter zu. In diesen Holzschichten kommt es maximal zu 75% Holzfeuchte. Betrachten wir eine 200jährige Buche mit einem Stammdurchmesser im Bereich der Baumhöhle von 1m (Schichtdicke Splintholz und Rinde 10cm). Am Übergang von Reif- zu Splintholz gehen wir von der maximalen Holzfeuchte von Reifholz aus (75%). Nehmen wir weiterhin einen linearen Verlauf der Holzfeuchtigkeit zwischen den beiden Holzfeuchten an den Rändern des Puffers an. Als Puffer steht nun das zur Baumhöhle gerichtete Holzvolumen zur Verfügung, aber nur bis zu der Stelle an der die Holzfeuchte gleich der Fasersättigungsfeuchte ist (die Holzfeuchte, die sich einstellt bei 100% relativer Luftfeuchte). Diese Fasersättigungsfeuchte ist bei Buchenholz (34,02%) deutlich höher als beispielsweise bei Nadelhölzern (ca. 28%). Bei Buchenholz steht somit ein grösserer Puffer zur Verfügung (1,5x größer).

Querschnitt Puffer
Model Baumhöhle mit Puffer, Querschnitt

Die durchschnittliche Holzfeuchte des Puffers ergibt sich zu 22,5% bei Buchenholz. Das Puffervolumen ergibt sich zu 0,15m³ bei einer Höhe von 1,44m. An der Decke und am Boden der Baumhöhle steht dem Puffer eine größere Schicht zur Verfügung. Die Wassertransportvorgänge laufen in Faserrichtung etwa 10fach schneller ab als senkrecht zu ihr (bei der recht hohen Holzfeuchte). Die Spitze des Puffers wäre theoretisch 4m oberhalb der Baumhöhle. In der gleichen Zeit, in der Feuchtigkeit aus den wasserführenden Schichten den Mittelpunkt des Baumes erreicht (ca. 40cm), legt die von der Baumhöhle in Faserrichtung wandernde Feuchtigkeit 4m zurück. In den Randbereichen der Baumhöhlendecke zieht sich der Puffer bis zu 3m in die Länge. Das Volumen dieses Zylinders und Kegels berechnet sich insgesamt zu 0,094m³. Nach unten berücksichtigen wir nur einen Zylinder mit 1,50m Höhe, da von Bienen bewohnte Baumhöhlen meist ihr Flugloch unterhalb von 2m Bodenhöhe haben. Es steht insgesamt also ein Puffer von 0,391m³ mit einer durchschnittlichen Holzfeuchte von 22,5% zu Verfügung.

Dieses Volumen der Buche hat ein Trockengewicht von 0,391m³ x 680kg/m³ = 266kg. Der Wassergehalt des Puffers beträgt 60 kg.

Ein Bienenvolk verbraucht in der gut isolierten Baumhöhle schätzungsweise 5kg Honig von Oktober bis März. Darin enthalten sind 3,4kg Wasser, die von den Bienen in der Zeit durch Stoffwechsel an die Luft abgegeben werden.

Der gesamte Wassergehalt des Puffers ändert sich also zu 63,4kg und die durchschnittliche Holzfeuchte zu 23,8%. Am Höhlenrand ergibt sich eine Holzfeuchte von 13,6%. Bei dieser Holzfeuchte stellt sich in der Höhle eine relative Luftfeuchte von 70% ein.

Bei dieser Größenordnung ist in der Baumhöhle eine Schimmelgefahr weitgehend ausgeschlossen.

Eine zusätzliche Entfeuchtung durch natürliche Luftwechsel und durch Wasserdampfdiffusion wurde hierbei noch gar nicht berücksichtigt, die Größenordnung hierfür liegt bei 10-15% von der anfallenden Feuchtigkeit.