Ogrzewanie kościoła

Elementy grzewcze w ławkach w nawie bocznej w kościoła w Skępem.

Konserwatorski system grzewczy dla zabytkowych kościołów

styczeń 2007 – maj 2008

Charakterystyka problemu

W przeszłości kościoły nie były ogrzewane, ale ze wzrostem potrzeby komfortu u ludzi nasila się tendencja do wprowadzania systemów grzewczych do wnętrz kościołów. W Danii praktycznie wszystkie użytkowane świątynie mają zainstalowane systemy grzewcze (por. Kirsten Trampedach, National Museum of Denmark, Introduction to Danish wall paintings – conservation ethics and methods of treatment. http://www.natmus.dk/cons/walls/chrchpnt.htm). W zespole małopolskich kościołów drewnianych, połowa wszystkich zabytkowych kościołów jest już ogrzewana (por. Łukasz Mamica, Akademia Ekonomiczna w Krakowie, Ogrzewanie kościołów drewnianych Małopolski – aspekty ekonomiczne i społeczne). Aż 85% z nich jest ogrzewanych w nieprawidłowy sposób, co przyczynia się do powstawania zniszczeń takich jak pękanie drewnianych rzeźb i polichromowanych elementów wystroju, odspojenia warstw malarskich, silne zabrudzenie powierzchni, uaktywnienie działania soli w materiałach porowatych .

Głównym powodem szkodliwości znacznej części systemów grzewczych jest posługiwanie się powietrzem jako medium przenoszenia ciepła od źródła do odbiorcy. Niezależnie czy ogrzane powietrze przemieszcza się na drodze naturalnej konwekcji, czy poprzez wymuszony nawiew, trzeba wypełnić nim całe wnętrze, aby „przy okazji” ogrzać ludzi. Dochodzi wtedy do znaczącego zaburzenia stabilnego, naturalnego mikroklimatu wnętrz kościelnych: ze wzrostem temperatury powietrza spada wilgotność względna, co powoduje przesuszanie i pękanie elementów drewnianych przy jednoczesnej kondensacji uwolnionej pary wodnej na zimnych powierzchniach, takich jak sklepienia, ściany i okna. Wzmożenie ruchów konwekcyjnych powietrza zwiększa szybkość przenoszenia i osiadania pyłów. Systemy ogrzewające całe wnętrze są przy tym z założenia nieekonomiczne – jedynie niewielka część energii jest zużytkowana do ogrzania strefy, gdzie przebywają ludzie.

Porównanie wydajności ogrzewania nawiewowego oraz systemu ogrzewania konserwatorskiego

Opracowanie i wdrożenie do praktyki konserwatorskiej systemów grzewczych, które nie szkodziłyby zabytkowym świątyniom i elementom ich wystroju, a zarazem ogrzewały osoby biorące udział w nabożeństwach lub imprezach kulturalnych stało się pilną potrzebą.

Cel projektu

Celem projektu było wdrożenie do praktyki konserwatorskiej systemów ogrzewania zabytkowych kościołów, które będą służyły ich ochronie na dwóch drogach:

  • dostarczając ciepło lokalnie w strefach, gdzie przebywają ludzie i jak najmniej zaburzając warunki naturalne w pozostałej części wnętrza
  • dostarczając kontrolowane dawki ciepła w celu stabilizacji wilgotności względnej lub selektywnego ogrzania ścian i sklepień zagrożonych kondensacją wilgoci

Badania i działania praktyczne projektu skupiły się na prototypowym systemie grzewczym zainstalowanym w kościele O.O. Bernardynów p.w. Zwiastowania NMP w Skępem.

Obiekt badań

Obiektem badań był kościół O.O. Bernardynów p.w. Zwiastowania NMP w Skępem (województwo kujawsko-pomorskie, powiat lipnieński). Kościół i klasztor zostały zbudowane w latach 1508-1510, a w kolejnych stuleciach były wielokrotnie rozbudowywane. Sanktuarium w Skępem jest znanym miejscem kultu maryjnego i celem wielu pielgrzymek, zwłaszcza z terenu Mazowsza i Kujaw. Kościół w Skępem ma cenne wyposażenie, a wnętrze zdobi malarska dekoracja ścian i sklepień wykonana w latach 1750-1753 przez Walentego Żebrowskiego, wybitnego malarza polskiego rokoka. Wybór kościoła w Skępem, jako miejsca realizacji prac projektu, nie był przypadkowy. Od wielu lat zespół pod kierunkiem prof. dr Bogumiły J. Rouby z Wydziału Sztuk Pięknych Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu wykonuje tam prace konserwatorskie przy polichromii Żebrowskiego, równolegle prowadząc w zespole klasztornym kompleksową diagnozę zagrożeń i podejmując działania o charakterze remontowo – ratunkowym. Zainstalowanie, przebadanie i optymalizacja ogrzewania konserwatorskiego zostały dokonane w obiekcie dobrze przebadanym i zabezpieczonym, pod nadzorem i przy współpracy doświadczonego i znającego obiekt zespołu konserwatorskiego.

Mikroklimat wnętrza nieogrzewanego

W okresie między grudniem 2006 i 2007 przeprowadzono systematyczne pomiary parametrów mikroklimatycznych w kościele nieogrzewanym, aby poznać zastany klimat odniesienia. Przedstawione poniżej, średnie poziomy wilgotności względnej oraz pasmo krótkookresowych fluktuacji tego parametru we wnętrzu nieogrzewanym są jedną z najważniejszych informacji koniecznych do oceny oddziaływania systemu grzewczego na warunki we wnętrzu.

Pasmo krótkookresowych fluktuacji wilgotności względnej zostało określone przez odrzucenie 16% obserwowanych wahań (8% od góry i 8% od dołu), w celu pominięcia okazjonalnych zmian o wysokiej amplitudzie i bardziej obiektywnej oceny stabilności klimatu. Poziomy odcięcia od góry i od dołu, nazywane w statystyce opisowej 8. i 92. percentylem są zaznaczone na rysunku liniami zielonymi jako „dolna i górna granica”. Określone w ten sposób pasmo naturalnych krótkookresowych wahań wilgotności względnej ma szerokość + 9% i -11% od chwilowego poziomu średniego.

Przeprowadzono również ciągły pomiar temperatury powierzchni dekoracji malarskiej sklepienia za pomocą czujników pirometrycznych. Na tej podstawie określono zagrożenie tej dekoracji powodowane przez występowanie epizodów kondensacji pary wodnej.

Para wodna zawarta w powietrzu wnętrza może ulec wykropleniu na powierzchniach, których temperatura jest niższa od punktu rosy, tj. temperatury, w której para wodna osiąga stan nasycenia. Zjawisko to powoduje zawilgocenie malowidła i może stać się przyczyną powolnego niszczenia struktury warstwy malarskiej i tynku. Poniżej pokazano wykres różnicy temperatury powierzchni sklepienia i punktu rosy dla kościoła w Skępem.

Epizody kondensacji pojawiły się w okresie zimowym, kiedy para wodna, wydzielana przez przebywających w kościele ludzi, zetknęła się z zimną powierzchnią sklepienia. Natomiast nie obserwuje się tzw. kondensacji wiosennej, powodowanej przez niekontrolowany napływ ciepłego i wilgotnego powietrza zewnętrznego, które styka się z powierzchnią masywnych, wychłodzonych po zimie murów. Brak tego rodzaju kondensacji świadczy o niewielkiej autonomii termicznej budynku i jego szybkim nagrzewaniu się w okresie wiosennym.

Opis systemu

Ogrzewanie kościoła zostało oparte na dwóch niezależnych modułach grzewczych:

  • module ogrzewania strefy ławek, który gwarantuje wiernym zakładany poziom komfortu cieplnego
  • module chwilowego ogrzewania promieniowaniem podczerwonym powierzchni sklepienia zapobiegającego epizodom kondensacji pary wodnej

Moduł ogrzewania strefy ławek stałych w nawie kościoła oparto na silikonowych elementach grzewczych o mocy 100W na metr bieżący elementu, montowanych pod siedziskami. Maksymalna temperatura powierzchni elementu wynosi 50°C.

Moduł ogrzewania ławek przesuwanych w prezbiterium kościoła oparto na foliach grzewczych umiejscowionych w drewnianych podestach pod ławkami. Moc folii wynosi 300 W/m2, a maksymalna temperatura powierzchni 30°C.

Wykonano moduł ogrzewania sklepienia przy zastosowaniu 20 elementów grzejnych o mocy 1,5 kW każdy, emitujących promieniowanie podczerwone w zakresie 2-8 m, dających gęstość mocy 60 W/m2sklepienia.

Promiennikowe elementy grzejne precyzyjnie ustawiono przy użyciu kamery termowizyjnej tak, aby temperatury ogrzewanych powierzchni nie przekraczały temperatury powietrza o więcej niż 2°C.

Prawidłowa konfiguracja promiennikowych elementów grzejnych jest kluczowym elementem powodzenia tego systemu w zastosowaniach konserwatorskich. Promiennikowy system grzewczy może bowiem stwarzać zagrożenia, jeżeli na skutek nieprzemyślanej instalacji intensywne promieniowanie podczerwone dociera do powierzchni polichromowanych ścian lub wrażliwych powierzchni zabytkowego wyposażenia (drewno, obrazy).

W zależności od intensywności promieniowania (odległości od promiennika), powierzchnie te mogą ulegać nadmiernemu rozgrzaniu, co spowoduje gwałtowne przesuszenie i związane z nim uszkodzenia: deformacje lub pęknięcie drewna wywołane skurczem i związanymi z nim naprężeniami, rozwarstwienia i uszkodzenia warstw malarskich i dekoracyjnych.

Obydwa systemy grzewcze są sterowane przez stały system monitorowania mierzący co 60 sekund temperaturę powietrza, wilgotność względną oraz temperaturę powierzchni sklepienia w nawie i prezbiterium.

Sterowanie ogrzewaniem ławkowym jest oparte na warunku zachowania klimatu odniesienia, tj. spadki wilgotności względnej wywołane ogrzewaniem nie powinny wychodzić poza „naturalne” dla wnętrza pasmo fluktuacji. Stąd, ogrzewanie ławkowe może być uruchomione, jeżeli wilgotność względna wnętrza jest wyższa od dwumiesięcznej średniej kroczącej pomniejszonej o dopuszczalne odchylenie od średniej w paśmie fluktuacji (oznaczone w kościele w Skępem jako 11%). W przypadku, gdy działające ogrzewanie doprowadzi do spadku wilgotności względnej poniżej tej wartości, system automatycznie go wyłączy.

Z kolei sterowanie ogrzewaniem promiennikowym sklepienia oparte jest na stałym obliczaniu punktu rosy z pomiaru temperatury sklepienia, temperatury powietrza i wilgotności względnej. Ogrzewanie to jest uruchamiane, jeżeli różnica pomiędzy temperaturą sklepienia a punktem rosy jest mniejsza niż 0,5°C z histerezą 0,25°C.

Mikroklimat wnętrza ogrzewanego

Mikroklimat wnętrza ogrzewanego wyznaczono przez monitorowanie parametrów mikroklimatycznych w chłodnym okresie jesieni i zimy 2007/2008. Stwierdzono, że wahania wilgotności względnej poza strefą ławek wywołane przez okresowe epizody grzewcze nie są większe niż „naturalne”. Wniosek ten ilustruje porównanie wykresów wilgotności względnej dla zimy 2007 roku, kiedy kościół nie był ogrzewany i wahania wilgotności względnej w czasie nabożeństw pochodziły wyłącznie od wiernych zgromadzonych w kościele, z takimi samymi wykresami dla zimy 2008, kiedy w kościele działało ogrzewanie ławkowe.

Efektywność ogrzewania wiernych w ławkach

Wyznaczono rozkład temperatury odczuwanej przez osobę siedzącą w ławkach, która jest miarą pochłanianego promieniowania i temperatury powietrza. Oznaczenie tego dokonano przy pomocy termometru kulistego oraz przez pomiar temperatury powierzchni pasa czarnej tkaniny umieszczonego w ławkach.

Przeprowadzone pomiary wskazały, że układ zamontowany w ławkach stałych osiąga swoją maksymalną temperaturę po około 15 minutach. Zgodnie z oczekiwaniem, maksymalną temperaturę wynoszącą około 14°C układ osiąga na wysokości 40 cm, a temperatura szybko spada z wysokością; efekt ogrzewania przestaje być zauważalny powyżej 1 m. Tak więc system grzewczy jest źródłem ciepła silnie zlokalizowanego w strefie ławek, praktycznie nie zaburzając warunków w przestrzeni wnętrza kościelnego. Komponenta radiacyjna jest znikoma, co wynika przede wszystkim z niskiej temperatury samego źródła.

Podobnie zlokalizowany charakter ma ogrzewanie ławek ruchomych. Układ osiąga swoją maksymalną temperaturę po koło 1 godzinie na wysokości do 20 cm nad powierzchnią podestu. Efekt ogrzewania przestaje być zauważalny powyżej 1,4 m.

Wnioski

Zastosowany system ogrzewania wiernych nie zaburza naturalnego mikroklimatu kościoła i jest bezpieczny dla znajdujących się w kościele obiektów zabytkowych (polichromie na ścianach i sklepieniu kościoła, dekorowane elementy drewniane, obrazy sztalugowe). Jednocześnie zapewnia komfort osobom biorącym udział w nabożeństwie i imprezach kulturalnych odbywających się we wnętrzu świątyni. Moduł ogrzewający sklepienie jest w stanie skutecznie zapobiegać kondensacji pary wodnej na powierzchni polichromii przy czym nie powoduje zagrożenia związanego z „przegrzaniem” struktury malowideł.

Oprac. dr hab. Roman Kozłowski,
Grupa Badawcza Ochrona Dziedzictwa Kultury IKiFP PAN

REALIZATORZY PROJEKTU
MONUMENT SERVICE Marcin Kozarzewski
Grupa Badawcza Ochrona Dziedzictwa Kultury Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni Polskiej Akademii Nauk
atom.ik-pan.krakow.pl 
www.heritage.xtd.pl
PARTNER TECHNICZNY PROJEKTU
I PRODUCENT SYSTEMU
TERMO-TECHNIKA
www.termo-technika.com.pl

Projekt „Konserwatorskie systemy grzewcze dla zabytkowych kościołów” zrealizowano dzięki dofinansowaniu z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Sektorowego Programu Operacyjnego Wzrost Konkurencyjności Przedsiębiorstw.