22 Sierpnia 2014
Temperatura i wilgotność a zabytkowe kościoły
Jakie parametry określają mikroklimat w kościele?
Mikroklimat w kościele określany jest głównie poprzez temperaturę i wilgotność względną powietrza.
Jakie czynniki mają wpływ na mikroklimat kościoła?
Na mikroklimat w kościele wpływ ma przede wszystkim rodzaj zastosowanego ogrzewania oraz czy jest możliwość jego regulacji. Poza tym w dużym stopniu znaczenie będzie miało to, jakim budynkiem jest kościół, czy jest to budynek dobrze zaizolowany, czy też jest to budynek, którego przegrody mają małą izolacyjność cieplną, co ma miejsce przede wszystkim w kościołach zabytkowych. Wpływ będzie miała też ilość osób przebywających w kościele, a także klimat na zewnątrz.
Dlaczego ogrzewanie kościoła może być niekorzystne dla jego mikroklimatu?
Zmiana temperatury powietrza w kościele będzie powodować równocześnie zmianę jego wilgotności względnej. Ogrzewanie powietrza będzie powodować spadek wilgotności względnej powietrza, a ochładzanie jego wzrost. Zmiany wilgotności powietrza będą powodować zmiany wilgotności elementów wyposażenia kościoła.
Czym jest wilgotność względna powietrza?
Parametr ten, wyrażany najczęściej w procentach, pokazuje w jakim stopniu powietrze jest nasycone parą wodną. Wilgotność względna wynosząca np. 50 % oznacza, że powietrze zawiera 50% ilości pary, która mogłaby być w nim zawarta w tej temperaturze i ciśnieniu.
Czy wilgotność względna powietrza może być wyższa, niż 100%?
Nie. Osiągnięcie wartości równej 100% oznacza, że powietrze jest już całkowicie nasycone parą wodną i dalsze jego nasycanie jest niemożliwe, gdyż nadmiar wilgoci będzie się wykraplał w postaci mgły, rosy. Stan ten nazywa się punktem rosy.
Od czego zależy wilgotność powietrza ?
Wilgotność względna powietrza ściśle zależy od temperatury powietrza. Im wyższa będzie temperatura powietrza, tym więcej pary wodnej powietrze to potrzebuje, aby osiągnąć stan nasycenia, czyli 100%. Przykładowo, powietrze o temperaturze 0C potrzebuje ok. 4 g pary wodnej na kg powietrza suchego aby osiągnąć stan nasycenia, a powietrze o temperaturze 12C już ok. 9 g.
W jaki sposób zmiany wilgotności powietrza w kościele będą oddziaływać na elementy jego wyposażenia?
Zmiany wilgotności względnej powietrza będą powodować sorpcję i desorpcję wilgoci w różnych elementach wyposażenia, głównie tych wykonanych z drewna. W przypadku wysokiej wilgotności względnej w powietrzu, drewno będzie pochłaniać wilgoć i będzie ulegało pęcznieniu. Przy wilgotności 92% drewniane elementy będą całkowicie nasiąknięte wilgocią. Przy niskiej wilgotności względnej powietrza, drewno będzie oddawać wilgoć do powietrza, a przez to ulegać kurczeniu.
Dlaczego zmiany wilgotności powietrza powodują pęknięcia drewnianych rzeźb?
W przypadku masywnych drewnianych elementów, część zewnętrzna może szybciej oddać wilgoć do powietrza i ulec skurczeniu, niż środek, który pozostanie bez zmian. Gdy powstałe naprężenia w elemencie przekroczą dopuszczalne wartości, wówczas na powierzchni pojawią się pęknięcia i uszkodzenia.
W jaki sposób zmiany wilgotności powietrza będą oddziaływają na sztukaterię?
Różne materiały, które są trwale połączone ze sobą, z różną ekspansją będą reagować na siebie przy zmianach wilgotności. Dotyczy to np. sztukaterii, gdzie proporcje zmian wymiarów między sztukaterią a podłożem mogą sięgać wartości 5:1.
Kiedy zmiany wilgotności są niebezpieczne dla obrazów i malowideł ściennych?
Dla malowanych lub złoconych drewnianych rzeźb i grubych warstw farb na powierzchniach ścian niebezpieczne może być obniżenie wilgotności względnej powietrza poniżej 30 %. Deformacyjne naprężenia, powstałe na skutek wysuszenia, są jedną z przyczyn ubytków w warstwach malarskich.
Jakie są dopuszczalne wartości wilgotności względnej powietrza w kościołach z zabytkowym wyposażeniem?
Jak podaje norma PN-EN 15757:2011 , aby zapobiec znaczącym zagrożeniom, wilgotność względna w zabytkowym budynku, w ciągu całego roku nie powinna być niższa, niż 25% i wyższa, niż 75%.
Jak zmiany wilgotności powietrza w kościele wpływają na zabytkowe organy?
Elementem wyposażenia, który jest bardzo wrażliwy na zmiany wilgotności powietrza są organy. W suchym, wewnętrznym mikroklimacie, powstające na skutek rozsychania szczeliny i pęknięcia, mogą być przyczyną rozszczelnienia wiatrownic powodując, że niektóre piszczałki nie będą grać, a niektóre będą grać, mimo, że nie powinny. Zbyt wysoka wilgotność powietrza będzie natomiast sprzyjać szybszemu korodowaniu elementów metalowych organów, a także rozwojowi pleśni, która może tworzyć się na elementach organicznych np. skórze.
W jaki sposób można przeciwdziałać niekorzystnemu wpływowi zmian wilgotności powietrza na zabytkowe organy?
Wrażliwe i łatwo rozstrajające się organy powinny mieć w swoim otoczeniu zamontowane urządzenie, które będzie regulować wilgotność powietrza.
Jakie elementy wyposażenia kościoła są jeszcze narażone na zniszczenie w wyniku zmian wilgotności?
Niska temperatura i zmienna wilgotność przyspiesza korozję metalowych obiektów, dlatego też cenne wyroby blaszane powinny być na jesieni zabierane z nieogrzewanych kościołów.
Zmiany wilgotności powietrza są procesem stale zachodzącym w środowisku kościoła. Dlaczego nie zawsze wywołują one niekorzystne efekty?
Jak wykazały badania, przy zmianach wilgotności powietrza, na powstawanie uszkodzeń wpływ będzie miała nie tyle amplituda tych zmian, ale ich szybkość. Każda nagła zmiana wilgotności, czy temperatury będzie bardziej niebezpieczna dla wyposażenia, niż ta sama zmiana, ale trwająca powoli, w dłuższym okresie czasu.
W jaki sposób brak izolacji poziomej i pionowej fundamentów kościoła wpływa na jego mikroklimat ?
Duży wpływ na zwiększenie wilgotności powietrza w kościele ma wilgoć przejmowana przez powietrze z zawilgoconych ścian. Przyczyną zawilgocenia jest głównie podciąganie kapilarne wilgoci z gruntu, na skutek braku izolacji poziomych i pionowych. Zablokowanie tego procesu w trakcie renowacji, często znacznie redukuje wilgotność powietrza w kościele.
Dlaczego zmiany wilgotności powietrza w kościele mogą powodować pękanie tynku na ścianach?
Niekorzystnym procesem zachodzącym w budynku, który nie jest zabezpieczony przed napływem wilgoci (brak izolacji) jest krystalizacja soli. Wilgoć dostająca się do ścian zawiera rozpuszczone sole, które przechodzą do warstw przypowierzchniowych. Niska wilgotność względna powietrza w budynku będzie powodować krystalizację tych soli, czyli wielokrotne zwiększanie ich objętości, natomiast wysoka wilgotność względna powietrza w budynku będzie powodować ich rozpuszczanie. Ten cyklicznie powtarzający się proces będzie skutkował destrukcją tynku i muru.
W jaki sposób wzrost temperatury powietrza w kościele spowodowany jego ogrzewaniem może wpływać na jego wyposażenie?
Niekorzystnym zjawiskiem, które może wystąpić w ogrzewanych kościołach jest powstanie różnicy temperatur między różnymi stronami elementów np. rzeźb znajdujących się w bliskiej odległości od ścian zewnętrznych. W wyniku ogrzewania strona skierowana na kościół może mieć wyższą temperaturę, niż strona obiektu skierowana w stronę ściany zewnętrznej. Bliska odległość obiektu będzie ograniczać dopływ ciepłego powietrza na ścianę zewnętrzną, co nie spowoduje jej ogrzania. Różnica między temperaturami na powierzchni obiektu, zależna od jego grubości i materiału, z którego jest wykonana, może sięgać nawet kilku stopni. Będzie to powodować powstawanie naprężeń, które mogą powodować tworzenie się uszkodzeń.
W jakim stopniu klimat na zewnątrz oddziałuje na mikroklimat w kościele?
Niektóre parametry klimatu zewnętrznego jak np. temperatura będą oddziaływać stale, a niektóre okresowo na mikroklimat we wnętrzu kościoła. Wpływ krótko trwających reakcji wnętrza na zmiany zewnętrznego klimatu, spowodowanych głównie promieniowaniem słonecznym dostającym się przez okna i wiatrem powodującym zwiększoną wymianę powietrza przez nieszczelności budynku, zależeć będzie od tego, jak duża jest pojemność buforująca budynku. Np. względnie duże okna gotyckiego miejskiego kościoła mogą powodować wysokie tempo zmiany stanu powietrza we wnętrzu. W takim przypadku, zewnętrzne oddziaływania na wewnętrzny klimat może tylko w małym stopniu być kompensowane przez pojemność masy, która jest względnie mała w odniesieniu do objętości budynku, w porównaniu do małego wiejskiego kościoła zbudowanego z podobnych materiałów, którego pojemność masy jest duża w odniesieniu do jego kubatury.
Dlaczego pojęcie temperatury punktu rosy jest ważne, gdy rozpatrujemy wpływ ogrzewania na wnętrze kościoła?
Jeśli znajdujące się w kościele powietrze zetknie się z powierzchnią, która będzie miała temperaturę niższą od jego temperatury punktu rosy, wówczas powietrze osiągnie stan nasycenia i na tej powierzchni nastąpi wykraplanie się pary wodnej – jej kondensacja. Na powierzchni pojawi się zawilgocenie, które przy dłuższym występowaniu będzie powodować destrukcję powierzchni i powstawanie pleśni.
Jak określić temperaturę punktu rosy?
Każdej temperaturze powietrza i wilgotności względnej odpowiada określona temperatura punktu rosy, którą można odczytać z wykresu Molliera lub z tabel. Przykładowo, dla powietrza o temperaturze 12C i wilgotności względnej 50% temperatura punktu rosy wynosi 1,8 C. Oznacza to, że jeśli powietrze o tej temperaturze i wilgotności zetknie się ze ścianą, która będzie miała temperaturę niższą niż 1,8 C, to na tej ścianie nastąpi kondensacja pary wodnej.
Czy napływanie ciepłego powietrza z zewnątrz do wnętrza wychłodzonego kościoła może powodować kondensację wilgoci na jego powierzchniach?
Niekorzystnym zjawiskiem związanym z powietrzem zewnętrznym jest możliwość wystąpienia kondensacji wilgoci na wewnętrznych powierzchniach w przypadku, gdy duże ilości ciepłego powietrza dostaną się do wychłodzonego wnętrza przez np. otwarcie drzwi. Duże ryzyko wystąpienia takiej kondensacji jest w kamiennych kościołach, w okresie wiosennym. Żeby zredukować to zjawisko jest zalecane trzymanie zamkniętych drzwi kościoła przez większość czasu, aż ściany osiągną zewnętrzną temperaturę. Przy niesprzyjającej pogodzie, może to trwać nawet do połowy lipca. W przypadku murowanych kościołów zjawisko to nie jest tak widoczne, ponieważ powstający kondensat jest wchłaniany przez przegrody, a następnie odparowywany, gdy powierzchnie nagrzeją się od ciepłego powietrza.
W jakim stopniu wydzielane przez ludzi ciepło i wilgoć wpływają na zmiany temperatury i wilgotności w kościele?
Na krótkotrwałe zmiany wilgotności i temperatury w kościele będzie miała wpływ także ilość przebywających jednocześnie ludzi. Człowiek w temperaturze np.12 C wydziela około 126W ciepła oraz 30 g/h pary wodnej. Dla tej samej ilości osób, zmiany wilgotności i temperatury w kościele będą tym większe, im mniejsza będzie objętość powietrza, która będzie przejmować wydzielane przez ludzi ciepło i wilgoć oraz im większa będzie szczelność budynku. W małych kościołach, wydzielana przez ludzi wilgoć, może spowodować zmiany wilgotności względnej powietrza nawet o kilkadziesiąt procent.
Jakie systemy grzewcze są stosowane w ogrzewanych kościołach?
Pierwsze ogrzewane kościoły były wyposażone w żelazne piece, zazwyczaj 2-5 w nawie i 1 w zakrystii. Taki sposób ogrzewania nie uszkadzał konstrukcji budynku i jego powierzchni, ale produkował dużo sadzy i dlatego wymagał on okresowego działania. Ten cykliczny proces ogrzewania był jedną z przyczyn wyblaknięcia malowideł na ścianach i sklepieniach.
Obecnie w kościołach można spotkać ogrzewania:
- wodne: podłogowe, z grzejnikami umieszczanymi przy ścianach, pod ławkami, w kanałach
podłogowych,
- powietrzne: z centralnym piecem i powietrzem rozprowadzanym kanałami lub z miejscowymi
konwektorami umieszczonymi w podłodze i wentylatorami wspomagającymi obieg powietrza
- elektryczne: podłogowe, ławkowe, promiennikowe, z zastosowaniem pieców akumulacyjnych.
Które z tych systemów powodują najmniejsze negatywne efekty w kościołach z zabytkowym wyposażeniem?
Wszystkie możliwe do zastosowania w zabytkowych kościołach systemy ogrzewania mają oprócz zalet także wady, ale szkodliwe efekty ich działania mogą być zredukowane przez dokładne rozplanowanie i zwymiarowanie tych systemów.
Systemy, które ogrzewają głównie miejsca, gdzie znajdują się ludzie np. ławkowe, czy też promiennikowe mają tę zaletę, że ograniczają ogrzewanie całej kubatury powietrza w kościele, a tym samym przegród i wyposażenia. A jak ten rodzaj ogrzewania wpływa na odczuwany przez ludzi komfort cieplny?
Temperatura, jaką odczuwają ludzie jest wypadkową temperatury powietrza oraz temperatur powierzchni, które otaczają ludzi. W przypadku ogrzewania ławkowego, zimne powierzchnie ścian i sklepienia będą promieniować chłodem, a przez to znacząco obniżać odczuwalną temperaturę. W przypadku stosowania promienników, temperatura odczuwalna będzie wypadkową wysokiej temperatury powierzchni promienników, niskiej temperatury powierzchni ścian i sklepienia oraz również niskiej temperatury powietrza. W przeciwieństwie do innych systemów, promienniki nie ogrzewają bezpośrednio powietrza, które nagrzewa się dopiero po pewnym czasie od napromieniowanych powierzchni, w tym także ludzi. Dlatego też wskazane jest sprawdzenie, czy temperatury powierzchni grzejnych, które są planowane do zastosowania, będą wystarczające, biorąc pod uwagę komfort ludzi, czy też może będzie wymagane zastosowanie dodatkowych urządzeń grzewczych.
Czy występują jakieś niekorzystne zjawiska w kościele, w którym zastosowano ogrzewanie podłogowe lub ławkowe?
W przypadku ogrzewania podłogowego lub ławkowego możemy uzyskać pozytywny efekt polegający na dość równomiernym, pionowym rozkładzie temperatury we wnętrzu. Natomiast niekorzystnym zjawiskiem, które może się pojawić, jest zwiększenie szybkości opadania zimnych strumieni powietrza w pobliżu okien, co będzie zwiększać cyrkulacje powietrza i związany z tym przeciąg. Zmienić to można poprzez zastosowanie dodatkowych grzejników w pobliżu okien.
Jakie zjawisko może wystąpić w kościele z przegrodami o małej izolacyjności cieplnej, gdy znajduje się w nim duża liczba osób?
Czasami, gdy w kościele znajduje się znaczna ilość osób można zaobserwować krople wody na sklepieniu. Pierwsza myśl to przeciekający dach, ale może być powstały kondensat. Tworzenie się kondensatu na niewystarczająco zaizolowanych powierzchniach w większości przypadków dotyczy sklepienia, które ma zazwyczaj gorsze parametry cieplne, niż ściany.
Dlaczego w zabytkowym kościele, który jest ogrzewany wskazane jest ocieplenie sklepienia?
Przy niezaizolowanym sklepieniu, jeśli jego powierzchnia ogrzeje się np. do temperatury 12C, wówczas dopuszczalna wilgotność względna powietrza w kościele, przy której nie będzie kondensacji powierzchniowej wynosi tylko 55 %. Przy dużej ilości osób w kościele wilgotność powietrza może wynosić nawet 70%. Jeśli sklepienie zostanie zaizolowane (ocieplone), wówczas dopuszczalna temperatura podwyższa się do wartości 19 C a wilgotność względna do wartości 87%. Poza tym ocieplenie sklepienia spowoduje redukcję zapotrzebowanie energii do ogrzewania i likwiduje efekt brudzenia.
Jak można przeciwdziałać występowaniu kondensacji na powierzchniach ścian i stropu w kościele o małej izolacyjności cieplnej przegród?
Aby wyeliminować kondensację powierzchniową, przegrody w budynku powinny zostać ocieplone. Gdy nie jest to możliwe, można zastosować rozwiązanie, w którym aby zwiększyć temperaturę np. sklepienia, nagrzewa się go promiennikami. Jednak działanie takie musi być regulowane i w pełni kontrolowane. W przypadku małych kubatur budynków, gdzie wilgoć wydzielona przez ludzi może przyczynić się do wzrostu wilgotności ogrzanego powietrza i być przyczyną kondensacji na powierzchni sklepienia, korzystnym rozwiązaniem może być zastosowanie ogrzewania powietrznego, które oprócz nagrzewania powietrza, będzie także wymieniać je na nowe – świeże, o niższej wilgotności względnej. Dobrym rozwiązaniem jest wykonanie wentylacji wyciągowej w kościele, która po mszy usuwałaby zawilgocone powietrze z wnętrza kościoła.
Dlaczego w ogrzewanym kościele czernieją ściany i stropy?
Niekorzystnym zjawiskiem związanym z przepływem ciepłego (ogrzanego) powietrza wzdłuż zimnych powierzchni jest czernienie ścian i sklepień. Zjawisko znane jako dyfuzja termiczna wywołuje wyższą koncentrację cząstek bliżej zimnej powierzchni, powodując w ten sposób wzrastanie ilości cząstek, które przylepiają się do tej powierzchni. Chociaż ten proces jest powolny, to w dłuższym okresie czasu potrafi zmienić białą ścianę w czarną.
Od czego zależy szybkość i intensywność brudzenia sklepienia?
Brudzenie sklepienia będzie najbardziej widoczne, gdy sklepienie będzie nieocieplone. Intensywność brudzenia zależeć będzie od ilości ogrzanego powietrza, które na nie napłynie. Najszybciej zjawisko to będzie widoczne w przypadku ogrzewania podłogowego, które ma dużą bezwładność cieplną i ciepłe powietrze dłużej będzie miało kontakt z powierzchnią stropu, niż w przypadku innych systemów, które szybciej reagują na wyłączenie. Aby zapobiec czernieniu stropu należy je ocieplić.
W jaki sposób można ograniczyć brudzenie się ścian przy grzejnikach i piecach akumulacyjnych?
Pojawiające się brudzenie ścian wokół zlokalizowanych przy nich grzejnikach lub piecach akumulacyjnych można ograniczyć poprzez zmniejszenie temperatur grzejnych na powierzchniach tych urządzeń i zastosowanie urządzeń o większej powierzchni, ale mniejszej temperaturze.
Na co należy zwracać uwagę przy lokalizacji nawiewów ogrzewania podłogowego i promienników podczerwieni aby ograniczyć wpływ wzrostu temperatury na wyposażenie kościoła ?
W przypadku ogrzewania powietrznego i promiennikowego należy zwracać uwagę na to, gdzie będzie kierowany strumień ciepła. Przy nie przemyślanym ustawieniu kierunku promieniowania, ogrzewanie promiennikami może powodować, że np. powierzchnia obrazu będzie miała różne temperatury, na skutek różnego stopnia ogrzania. Podobnie może być w przypadku np. rzeźb, gdzie nagrzewana może być tylko jej część frontowa, a tylna będzie chłodniejsza. Gdy promienniki będą umieszczone w pobliżu sklepienia, należy sprawdzić, czy nie powodują jego nagrzewania, ponieważ nagłe, niekontrolowane, zwiększanie temperatury może być przyczyną powstawania rys i innych uszkodzeń na jego powierzchni.
Jakich zasad należy przestrzegać, aby ogrzewanie nie powodowało uszkodzeń zabytkowego wyposażenia?
Podstawową zasadą, która jest zalecana przy stosowaniu każdego systemu ogrzewania w kościołach z zabytkowym wyposażeniem jest to, aby zmiana temperatury powietrza we wnętrzu następowała nie szybciej, niż ok. 0,6 1,0 stopnia na godzinę a temperatura powietrza w okresie użytkowania nie była wyższa, niż 12 15 C . Powolna zmiana temperatury, a tym samym wilgotności względnej powietrza będzie sprzyjać ochronie zabytkowego wyposażenia przed powstawaniem uszkodzeń.