Vochtproblemen in historische gebouwen: klimaatanalyse en retrofitting in de OLV-Hemelvaartkerk te Watervliet

Transcriptie

1 Vochtproblemen in historische gebouwen: klimaatanalyse en retrofitting in de OLV-Hemelvaartkerk te Watervliet Tim Gavel, Hannes Oppeel Promotoren: prof. dr. ir. Arnold Janssens, prof. dr. ir. Michel De Paepe Begeleider: Lien De Backer Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: architectuur Vakgroep Architectuur en Stedenbouw Voorzitter: prof. dr. Pieter Uyttenhove Vakgroep Mechanica van Stroming, Warmte en Verbranding Voorzitter: prof. dr. ir. Roger Sierens Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar

2

3 Vochtproblemen in historische gebouwen: klimaatanalyse en retrofitting in de OLV-Hemelvaartkerk te Watervliet Tim Gavel, Hannes Oppeel Promotoren: prof. dr. ir. Arnold Janssens, prof. dr. ir. Michel De Paepe Begeleider: Lien De Backer Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: architectuur Vakgroep Architectuur en Stedenbouw Voorzitter: prof. dr. Pieter Uyttenhove Vakgroep Mechanica van Stroming, Warmte en Verbranding Voorzitter: prof. dr. ir. Roger Sierens Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar

4 Dankwoord Dit eindwerk is het resultaat van de samenwerking tussen twee studenten, ondersteund door hun promotoren. Zij hebben ons gedurende het gehele onderzoek geholpen en in de juiste richting gestuurd. Vooreerst gaat onze dank uit naar prof. dr. ir. Arnold Janssens, onze hoofdpromotor. Zijn uitgebreide kennis en inzicht van bouwfysica hebben ons geholpen om tot dit eindresultaat te komen. We bedanken hem voor alles wat we tijdens deze thesis bijgeleerd hebben. Ook onze co-promotor, prof. dr. ir. Michel De Paepe, zijn we dankbaar. Zonder hem was dit eindwerk niet tot stand gekomen, ook bij de structuur en afbakening van dit onderzoek heeft hij ons geleid. Voor de opvolging van dit werk willen we ook Lien De Backer bedanken, zij was onze begeleidster en heeft mee met ons de problemen onderzocht die ons pad kruisten. We bedanken haar ook om ons te vergezellen naar de OLV-Hemelvaartkerk en ons daar te helpen om correcte meetresultaten te verkrijgen. Daarnaast leidde ze ons ook tot een gestructureerd geheel. Bij onze kerkbezoeken zijn we met vele personen in contact gekomen. Hierbij willen we de kerkverantwoordelijke, dhr. Erik Dooghe, bedanken. Tijdens ons eerste bezoek heeft hij ons door de gehele kerk geleid en elke ruimte laten zien. Daarnaast heeft hij ons toegang verschaft tot onder andere de zoldering, waardoor het voor ons mogelijk werd de stratificatie te bepalen. We danken hem om zijn gastvrijheid. Uitgebreide informatie over de geschiedenis van de kerk en de kunstwerken hebben we verkregen van dhr. Eric Versluys. Dankzij hem is het mogelijk geweest om een objectief zicht te krijgen op de kerk en zo een waardebepaling op te stellen. Hierdoor hebben we een doelgerichte conservatie kunnen vooropstellen, wat ongetwijfeld niet alleen voor ons van belang is. We danken ook dhr. Jeroen Hertogh voor het verschaffen van de klimaatgegevens van het weerstation in Oostburg. Dankzij deze gegevens is het mogelijk geweest om realistische simulaties uit te voeren. We vermelden ook nog dhr. Edgard Kniebs, de Belgische vertegenwoordiger van het moderne Mahrcalor-systeem. Hij heeft ons ter plaatse uitgebreide uitleg verschaft over de technische aspecten van het systeem en hoe deze specifiek kunnen toegepast worden in de OLV-Hemelvaartkerk. Ten slotte willen we Monumentenwacht Oost-Vlaanderen VZW bedanken voor het ter beschikking stellen van de kerk. Zonder hen was dit eindwerk vanaf de start niet mogelijk geweest. Tim Gavel, Hannes Oppeel 4

5 Toelating tot bruikleen De auteurs geven de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de masterproef te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met de betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef. The authors give permission to make this master dissertation available for consultation and to copy parts of this master dissertation for personal use. In the case of any other use, the limitations of the copyright have to be respected, in particular with regard to the obligation to state expressly the source when quoting results from this master dissertation. 6 augustus 2012 Tim Gavel, Hannes Oppeel 5

6 Voorwoord In de kerk te Watervliet vindt in de nabije toekomst een uitvoerige restauratie plaats. De kerk met het bijbehorende interieur is van grote historische waarde en omvat binnenin voornamelijk houtsnijwerk en schilderijen waaronder het monumentaal orgel van Ledou en het drieluik Nood Gods. Op dit ogenblik wordt de kerk verwarmd met een verouderde klimaatinstallatie. Een paar uur voor de diensten, die om de 14 dagen plaatsvinden, wordt de installatie op vol vermogen aangezet om de kerk comfortabel te maken tijdens de dienst. In de kerk stellen zich verschillende problemen op het vlak van vocht: regendoorslag in de gevel achter het orgel (westgevel) en in de gevels van het transept, opstijgend vocht, oppervlaktecondensatie ter plaatse van de glasramen. Dit is zeker geen goed klimaat voor de bewaring van de kunstwerken. Om het huidige binnenklimaat van de kerk te kunnen beoordelen, zijn in de kerk op verscheidene posities sensoren geplaatst. Deze sensoren zullen relatieve luchtvochtigheden en temperaturen gedurende een heel jaar meten. Aan de hand van deze metingen dient het binnenklimaat in dit monument in kaart gebracht te worden. Tevens wordt er een voorstel ter verbetering van het klimaat en de bijhorende vochtproblematiek gedaan. De scriptie is opgedeeld in drie delen: een literatuuronderzoek, een klimaatanalyse en een voorstel voor een klimaatinstallatie. Bij het literatuuronderzoek wordt onderzoek gedaan naar een gunstig klimaat voor de kunstwerken en de verschillende verwarmingssystemen gebruikt in een kerk. Welke soort verwarmingssystemen bestaan er en wat zijn de voor- en nadelen van de systemen. Het tweede deel is de case-study, na een korte geschiedenis van de kerk en beschrijving van de kunstwerken en het kerkinterieur wordt het binnenklimaat bestudeerd. Vervolgens wordt een analyse gedaan van de efficiëntie van het huidige verwarmingssysteem. Ten slotte wordt er een uitspraak gedaan over de schimmelgroei in de kerk. In het derde deel wordt een model van de kerk in TRNSYS gevalideerd aan de hand van de metingen uitgevoerd in de kerk. Aan de hand van het model wordt kritische analyse gemaakt betreffende het nut en de mogelijkheden om de prestaties van verschillende verwarmingssystemen en hun impact op het binnenklimaat van de kerk te evalueren. Tim Gavel, Hannes Oppeel 6

7 Moisture related problems in historical buildings: climate analysis and retrofitting of the OLV-church at Watervliet Tim Gavel, Hannes Oppeel Supervisor(s): Arnold Janssens, Michel De Paepe, Lien De Backer Abstract This article is based on the thesis to acquire the master degree in Civil Engineering Architecture at the University of Ghent. Keywords Moisture, church, heating, art conservation, simulation I. INTRODUCTION The church at Watervliet will soon be fully restored. The church itself and its interior have a high historical value. The interior consists mainly out of woodcarving and panel paintings, including the triptych Nood Gods. Nowadays the church is heated with an outdated hot air climate system. A couple hours before the services, which take place every other week, the climate system runs on full capacity to assure the comfort of the churchgoers. The church has several moisture related problems; moisture transfer through the walls after rain, rising moisture through the floor, condensation on the surfaces at the stained glass windows and detrimental climate conditions for the conservation of the artwork. To be able to analyze the interior climate of the church sensors were placed at different locations in the church interior. After an elaborate study concerning this topic it was possible to make conclusions about the indoor climate. Also a study has been done to equip the church with a new climate system to improve the conservation conditions. II. LITERATURE A typical property of churches is an attenuation of temperature and absolute humidity. The large changes are attenuated by the massive walls [1]. Although the biggest fluctuations are weakened, the fluctuations in the indoor climates of churches are still big enough to cause serious damage to the artwork. There are three important processes that cause damage: biological, chemical and physical. High relative humidity levels and dampness accelerate mold growth on most surfaces, corrosion of metals, and chemical deterioration in most organic materials [2]. Therefore the most optimal range in relative humidity is between 55 and 75% [3]. It is also recommended that the temperature never drops below 5 C during the winter to prevent condensation on surfaces. To determine the parameters of a climate system for a church it is not possible to merely take into account the requirements of conservation. The comfort of the churchgoers must also be assured. Therefore during a service a compromise must be found. Considering people are warmly clothed (clothing factor 2,0) when visiting a church, a lower limit of 15 C is ideal [3]. Although a high drop in relative humidity must be avoided for the preservation of the artwork. This can be accomplished by gradually (1 C/h) heating the church [4]. The heating of a church can be done with a variety of systems: hot air heating, floor heating, infrared heating and pew heating. Of those systems the well distributed hot air heating (through canals or convectors) and the floor heating are the most praised for church heating. However, the biggest risk when using hot air heating is thermal stratification. This is, aside a low heating efficiency, especially damaging for the church organ. This can however be avoided by a good design of the system. The biggest problem of floor heating on the other hand is the slow reaction time in heating the church. A lot of construction must be considered for both systems. III. MEASUREMENTS The church at Watervliet is built in the 15 th century and dedicated to the ascension of Our Lady. It has an area of 950m² and a volume of 8800m³. Just as most churches the church at Watervliet attenuates the large daily changes in temperature and relative humidity. The indoor daily changes, excluding the days with heating, are maximum 2 C and 13% RH, while outdoor these values are up to 18 C en 55% RH. On days with heating however changes were measured up to 12 C and 35% RH. Absolute humidity is not daily attenuated, but more over a couple days: the church needs time to adapt to higher or lower levels of humidity. The seasonal ranges of the church 1 are 13.5 ± 4.1 C and 73.0 ± 8.4% RH. Therefore the church can only be described as climate class C (High risk mechanical damage to highvulnerability artifacts) for 66.5% of the time according to the ASHRAE Climate Classes [2]. For 33.5% of the time the indoor climate is problematic for the interior of the church and the artwork. The current heating system of the church is a hot air heating system (built year 1954) that blows hot air into the northern transept and extracts air from the northern wall of the nave. Because of this organization a specific zoning arises during heating (Figure 1). This zoning map indicates that the current heating system is very inefficient based on the comfort for the churchgoers: the nave where they sit is the least heated location in the church. 1 Over the period measured between 1 July June 2012

8 TRNFLOW, the integrated air flow network model [6], can be used in conjunction with the multiple air node approach. An added possibility with the new radiation model is the evaluation of radiation effects of the massive stone walls on the church interior. This allows a detailed comfort analysis of the churchgoers depending on their location in the church interior and to evaluate the impact of different heating systems, such as locale floor heating. Figure 1: Different temperature zones in the church. Red = ±20 C, orange = ±16 C and yellow = ±14 C. The stratification was measured during several weeks with 10 sensors attached 1.5m apart to a rope that was suspended from the crossing. Every 1.5m the temperature rises with 1 C, except for the last 4.5m because the vault of the northern transept is lower and interrupts the flow. At the end of the service the temperature at the ceiling is 24 C while at men s height the temperature is barely 16 C. Because most of the warmth goes to the ceiling, it can be concluded that the current heating system is also very energy inefficient. Furthermore, the large stratification during heating causes tension fluctuations in the organ affecting its sound. To validate the model, the simulation results of the inside temperature were compared to measured values of the church (Figure 3). The results show that the model results relatively matches the measured values and the stratification effects are correctly simulated when the heating system is turned off. However, the model has difficulties calculating the stratification effects during a heating period because TRNflow is based on airflows through small openings, whilst the church is modeled with several air layers connected by very large openings. Consequently, when the aim of the study is to correctly evaluate the conservation circumstances for artwork at different locations in the church, TRNSYS 17 is not suited because of the faulty results for thermal stratification. A more detailed simulation tool, such as CFD, is recommended for such studies. Figure 3: Comparison between the simulated and measured temperature in the church. Figure 2: Stratification in the church at 11 march 2012 IV. SIMULATION MODEL The knowledge of the short and long term thermal and hygric indoor climate of a monumental church is of great interest for preservation conditions and for thermal comfort conditions. Furthermore for thermal comfort and preservation (contamination of surfaces), the indoor airflows are of importance. For the design of a heating system that meets the performance criteria simulation tools that predict the behavior are indispensable. The simulation model of the church is built with the multizone software TRNSYS. When TRNSYS 17 was released, one main focus was the improvement of the simulation of highly glazed large spaces such as multi-story atriums with respect to accuracy, user effort and error-proneness. Therefore, the existing multi-zone building model has been extended to a detailed modeling of 3-dimensional energy transport by radiation and thermal stratification [5]. Due to the integration of the new detailed model a radiative zone may consist of more than one air node thereby greatly improving the convective modeling of stratification. Also, V. CONCLUSIONS The implementation of a heating system in the OLV church in Watervliet that meets both the conservation needs for the church interior and artworks and the comfort needs of the churchgoers is no simple matter. Furthermore, the system has to take into account the existing climate in the church because the artworks have adapted to it over the years. It is shown that the new TRNSYS 17 is not suited to evaluate the impact of such heating systems on the church interior at various locations. A more detailed simulation tool, such as CFD, is recommended for such studies. REFERENCES [1] BRATASZ L.; KOZLOWSKI R.; CAMUFFO D.; PAGAN E., Impact of indoor heating on painted wood: monitoring the altarpiece in the church of Santa Maria Maddelena in Rocca Pietore, Italy, Studies in Conservation, 52, 2007, [2] ASHRAE, Chapter 23 Museums, Galleries, Archives and Libraries, ASHRAE Handbook HVAC Applications, Atlanta: ASHRAE, [3] ASHRAE, ASHRAE Standard 55: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy, Atlanta: ASHRAE, [4] SCHELLEN, H.L., Heating monumental churches: Indoor climate and preservation of cultural heritage, Technical University of Eindhoven, Faculty Engineering, doctorate, [5] ASHABER, J.; HILLER, M.; WEBER., 'TRNSYS17: New Features of the Multizone Building Model', 11th International IBPSA Conference, Preprints Vol 1 : 2009, [6] WEBER, A., TRNFLOW: A module of an air flow network for coupled simulation with the multizone building model of TRNSYS, 2006.

9 Inhoudsopgave Dankwoord... 4 Voorwoord... 6 Extended Abstract... 7 Inhoudsopgave... 9 Symbolenlijst Literatuurstudie Binnenklimaat van kerken Effecten van temperatuur en vochtigheid Biologische schade Chemische schade Fysische schade Responstijd van objecten Luchtpolluenten Verkeerspollutie Kaarsroet en wierook Luchtfiltering Tocht Comfort en conservatie eisen Comforteisen Klimaatklassen volgens ASHRAE 2011 [5] Conservatie van kunstwerken volgens de literatuur Het gedrag van hout Paneelschilderijen Schilderijen op doek Orgels Conclusie ontwerpparameters voor comfort en conservatie Verwarming in kerken Verwarmen versus niet verwarmen Wetgeving Stratificatie Soorten verwarmingssystemen Warmeluchtverwarming Tim Gavel, Hannes Oppeel 9

10 Goed gedistribueerd luchtinblaassysteem Niet gedistribueerd luchtinblaassysteem Vloerverwarming Infraroodverwarming Radiatorenverwarming Lokale verwarming in kerkbanken Het Europees project: Friendly Heating Samenvatting van de verschillende verwarmingssystemen Soorten regelingen Hydrostatische verwarming Koppeling tussen recirculatie en ventilatie Conclusie Case study: Watervliet De kerk Situering De bouwgeschiedenis Gebruik van de kerk Kunstwerken Schilderijen Hoogaltaar Orgel Koorgestoelte Preekstoel Huidig verwarmingssysteem Schadegevallen in de kerk Metingen in de kerk Inleiding Loggers Type loggers Aanvulling van de meetdata Plaatsing van de loggers Klimaat van de kerk Buitenklimaat Binnenklimaat Tim Gavel, Hannes Oppeel 10

11 Invloed buitenklimaat op het klimaat van de kerk Type verwarmingsperiodes Gewone zondagmis Orgelconcert Effecten van de verwarming in de kerk Warmteverdeling Stratificatie Vloertemperatuur Klimaat aan het Nood Gods Vergelijking verschillende loggers aan het Nood Gods Bepaling klimaatklasse aan het Nood Gods Schimmelvorming op het Nood Gods en de preekstoel Conclusies Simulaties Inleiding Soorten simulatietools Modelvereisten Keuze van simulatietool TRNSYS Opbouw van het model Materiaaleigenschappen Thermische traagheid Modellering van het huidige verwarmingssysteem Thermische massa van het gebouw Vochtbuffering van het interieur Resultaten van het vereenvoudigd model Uitbreiding van het model met TRNFlow Infiltratievoud Modellering van het huidig verwarmingssysteem Resultaten van het uitgebreide model Testcase TRNSYS Opbouw van het model Comfortberekeningen Tim Gavel, Hannes Oppeel 11

12 Conclusies Verwarmingssystemen Goed gedistribueerd luchtinblaassysteem Beschrijving van het systeem Modellering in TRNSYS Resultaten Conclusies Vloerverwarming Beschrijving van het systeem Modellering in TRNSYS Resultaten Conclusies Basisvloerverwarming met bijkomende luchtverwarming Beschrijving van het systeem Modellering in TRNSYS Resultaten Conclusies Aangepaste regelingstechnieken Hygrostatisch geregeld verwarmen Beschrijving van het systeem Modellering in TRNSYS Resultaten Conclusies Menging met buitenlucht Beschrijving van het systeem Modellering in TRNSYS Resultaten Conclusies Algemene besluiten van de simulaties Conclusies Bijlage 1: Grondplan en snedes Bijlage 2: Gedetailleerde samenvatting van de metingen Bijlage 3: Vergelijking weerdata Watervliet en Oostburg Bijlage 4: Tabellen voor gecorrigeerde U waarde berekening van bakstenen en mortel Tim Gavel, Hannes Oppeel 12

13 Bijlage 5: Kerkdata Bibliografie Overzicht van de figuren Overzicht van de tabellen Tim Gavel, Hannes Oppeel 13

14 Symbolenlijst A specifieke reactie factor van het materiaal s -1 A r Archimedesgetal - c specifieke warmtecapaciteit J/kgK C capaciteit J/K C p winddrukcoëfficiënt - C s luchtmassa stromingscoëfficiënt kg/s D h hydraulische diameter van het inblaasrooster m D w,t waterdampdiffusiecoëfficiënt m².s -1 E A activeringenergie J.mol -1 EMC equilibrium moisture content % g valversnelling m/s² k reactie constante s -1 n luchtstromingsexponent - r straal m R gasconstante J.K -1.mol -1 R T totale warmteweerstand m²k/w RV de relatieve vochtigheid % RV orgel relatieve vochtigheid bij het orgel % t tijd t T temperatuur C T i binnen luchttemperatuur K u luchtsnelheid binnenlucht m/s u 0 lucht inblaassnelheid m/s U warmtedoorgangscoëfficiënt W/m²K v 0 referentie windsnelheid aan gebouwlocatie m/s x houtvochtgehalte massa% x max houtvochtgehalte bij 100% RV massa% Δp w winddruk Pa θ 0 temperatuurverschil binnenlucht - inblaaslucht C Δθ/Δt opwarmsnelheid C/h θ 0 lucht inblaastemperatuur C θ i binnen luchttemperatuur C θ orgel luchttemperatuur bij het orgel C θ prima primaire luchttemperatuur C θ vloer vloertemperatuur C λ warmtegeleidbaarheiscoëfficiënt W/mK ρ soortelijk gewicht kg/m³ ω houtvochtgehalte kg/m -1 Tim Gavel, Hannes Oppeel 14

15 Literatuurstudie Binnenklimaat van kerken Uit vroegere onderzoeken [1], [2], [3] blijkt dat door de massieve wanden, het grote volume, relatief kleine ramen en een beperkte ventilatie, het binnenklimaat van een kerk veel stabieler is dan het buitenklimaat. Er is nauwelijks een verschil tussen dag- en nachttemperatuur. Door deze grote buffercapaciteit van het gebouw worden de korte termijn variaties significant en de seizoenscyclus, in mindere mate, geattenueerd. Een voorbeeld wordt gegeven in de studie omtrent de monitoring van de Santa Maria Maddelena in Italië: Figuur 1: Daggemiddelde waarden van temperatuur en relatieve vochtigheid van binnen en buiten de Santa Maria Maddalena in Rocca Pietore, Italië [2] Op de figuur is er duidelijk een attenuatie te zien. Dit houdt in dat grote temperatuurvariaties buiten overeen komen met kleinere variaties in de binnentemperatuur. Daarnaast is te zien dat het in de zomer binnen koeler is dan buiten, in de winter warmer. Door de grote warmte- en vochtcapaciteit bestaat er zowel qua lucht- als oppervlaktetemperaturen en relatieve vochtigheden een gematigd klimaat. De monumentale inrichting van kerkgebouwen heeft in sommige gevallen de eeuwen vrij goed doorstaan, maar meestal hebben de fluctuaties in temperatuur- en relatieve vochtigheid voor onomkeerbare schade gezorgd. De kunstwerken die gemaakt zijn uit materialen die gevoelig zijn voor schimmel en fluctuaties in relatieve vochtigheid en temperatuur, zoals hout, hebben zich over de eeuwen aangepast aan het lokale klimaatpatroon. Deze aanpassingen hebben echter meestal tot gevolg dat het interieur een graad van permanente deformatie of breuk verkrijgt. Indien deze kunstwerken uit hun microklimaat worden gehaald of plotse veranderingen in relatieve vochtigheid en temperatuur ervaren, zullen ze sowieso extra beschadigd worden [3]. Effecten van temperatuur en vochtigheid Regeling van temperatuur en vochtigheid heeft altijd aan de basis gelegen van het conserveren van objecten. Slechte of ongecontroleerde regeling is de voornaamste oorzaak van schade aan objecten. Deze schade kan opgesplitst worden in drie verschillende processen: biologisch, chemisch en fysisch Tim Gavel, Hannes Oppeel 15

16 [4]. Door elk van de verschillende fenomenen apart te bekijken is het mogelijk om grenzen op te stellen opdat schade voorkomen kan worden. Biologische schade Voorbeelden van biologische schade zijn schimmels, fungi en het rotten van organische materialen. Een veelgebruikt criterium voor het voorkomen van biologische schade is dat de relatieve vochtigheid altijd onder de 70% waarde moet blijven [5]. Als een ondergrond voldoende voedingsstoffen bevat, verhoogt dit significant de kans op schimmelgroei. Meestal zijn dit organische materialen, maar ook anorganische materialen die voldoende vuil of vet bevatten kunnen als voedingsbodem dienen. Naast een voedingsbodem hebben schimmels ook een zekere hoeveelheid beschikbaar water nodig op de oppervlakte om tot ontwikkeling te komen. Dit wordt de wateractiviteit genoemd en deze is afhankelijk van de relatieve vochtigheid van de binnenlucht en de oppervlaktetemperatuur. Als de oppervlaktetemperatuur gelijk is aan de temperatuur van de binnenlucht, kan dit laatste gebruikt worden als een indicator voor de kans op de ontwikkeling van schimmels [6] Figuur 2: Temperatuur en vochtigheid voor zichtbare schimmelgroei in 100 tot 200 dagen [5] Figuur 2 toont de rol van de temperatuur en relatieve vochtigheid op de ontwikkeling van schimmels. Aan de hand van de curven van de gebruikte houtsoorten kunnen parameters gekozen worden voor optimale conservatie van het monumentale interieur. Een eigenschap van schimmels is dat hun DNA-helix bij een relatieve vochtigheid lager dan 55% ineen klapt. Een conservatieve schatting van de laagste vochtigheid waarbij ontkieming nog kan optreden is dan ook 60%. Bij een 65% relatieve vochtigheid duurt het ongeveer 3 jaar en bij 70% enkele maanden voordat de schimmels ontkiemen. Dit betekent dat in een korte periode van 70%, gevolgd door een droge periode het risico op schimmel verwaarloosbaar is. Boven de 70% wordt het risico echter aanzienlijk groter [7]. De groeicondities voor schimmels kunnen beschreven worden in isopleet-diagrammen. Deze diagrammen beschrijven de ontkiemingstijd of groeisnelheden. Onder de onderste curve zal elke Tim Gavel, Hannes Oppeel 16

17 schimmelactiviteit stoppen: de omstandigheden voor het ontkiemen of groeien van schimmels is dermate slecht dat deze kunnen uitgesloten worden. Er moet op gelet worden dat de isopleetdiagrammen zijn vastgelegd onder constante condities, bijvoorbeeld constante temperatuur of relatieve vochtigheid. Naast een hoge relatieve vochtigheid of temperatuur is er ook een voedingsbodem nodig voor de ontkieming of groei van schimmels. Deze moeten alle drie tegelijk optreden over een zekere periode aanwezig zijn voor het ontstaan van schimmels. Daarom is ook de tijd een zeer belangrijke parameter [8]. Figuur 3: Isopleet diagrammen voor drie klassen van materialen (links) en het isopleetdiagram voor de kritische schimmels (rechts) [9] Omdat de groeisnelheid materiaalafhankelijk is, zijn er verschillende materiaalklassen gedefinieerd [9]: Materiaalklasse 0: Perfecte kiemondergrond Materiaalklasse I: Biologisch recycleerbare bouwmaterialen zoals behangpapier, gipskartonplaten, bouwmaterialen gemaakt voor permanent elastische verbindingen. Materiaalklasse II: Biologische moeilijk afbreekbare materialen, minerale bouwmaterialen en bepaalde isolatiematerialen. Materiaalklasse III: Bouwmaterialen die niet degraderen of geen voedingsstoffen bevatten Het eikenhout van schilderijen of kunstwerken kan onder materiaalklasse I worden geplaatst. Een relatieve vochtigheid van 75% kan als kritisch beschouwd worden voor ontkieming en groei van schimmels. Aan de hand van het Viitanen model [10] kan een schimmelindex berekend worden die een indicatie geeft van de met schimmel geïnfecteerde fractie van een oppervlak. Tim Gavel, Hannes Oppeel 17

18 Index Beschrijving 0 Geen schimmelontwikkeling 1 Groei-initiatie 2 Matige groei, zichtbaar onder de microscoop 3 Zichtbare groei, spoorvorming 4 Schimmelaantasting over 10% van het oppervlak 5 Schimmelaantasting over 50% van het oppervlak 6 Schimmelaantasting over 100% van het oppervlak Tabel 1: Beschrijving van de schimmelindices Chemische schade Onder chemische schadegevallen plaatst men vooral corrosie van metalen (bv corrosie van glas-inlood ramen) en het vervagen van verf op kunstwerken. Ook gebrandschilderd glas is onderhevig aan chemische schade. De pigmenten en kleurstoffen worden namelijk aangetast, waardoor deze vervagen of verdwijnen. Hierbij bepaalt vooral de omgevingstemperatuur de snelheid waarmee chemische reacties plaatsvinden. Door gebruik te maken van de Arrhenius-vergelijking kan eenvoudig een schatting gemaakt worden van de directe invloed van temperatuur op de snelheid van chemische reacties [7]: k = A. e E A RT (1) Met k = reactie constante [s -1 ] A = specifieke reactie factor van het materiaal [s -1 ] E A = activeringenergie [J.mol -1 ] R = gasconstante [8.314 J.K -1.mol -1 ] T = temperatuur [K] Aangezien de verwachte levensduur van de beschouwde kunstobjecten omgekeerd evenredig is met de reactiesnelheid (k) kan deze afgeleid worden uit de Arrhenius-formule. Door een referentietemperatuur te kiezen bij 20 C (293K) en dit gelijk te stellen aan een levensverwachting van 1, kan de bruikbaarheid (relatieve levensduur) voor andere temperaturen worden berekend. Een vuistregel bij de formule is dat de bruikbaarheid van chemisch instabiele materialen verdubbelt bij iedere 5 C verlaging bij constante relatieve vochtigheid [11]. Omdat de verwachte bruikbaarheid niet uitsluitend van de temperatuur afhangt is het noodzakelijk naar een gecombineerd effect van temperatuur en relatieve vochtigheid te kijken. In de literatuur over de degradatie van papier, veroudering van filmmateriaal en vergeling van vernissen wordt volgende formule gevonden [11]: k = RV 1.3 (2) Met k = reactieconstante [s -1 ] RV = de relatieve vochtigheid [-] Tim Gavel, Hannes Oppeel 18

19 Beide vergelijkingen samen representeren de relatie tussen de reactiesnelheid, de temperatuur en de relatieve vochtigheid. Ze kunnen worden samengevoegd als volgt: k totaal = k T x k RV = RV 1.3 x A. e E A RT (3) Fysische schade Fysische schade is een zeer belangrijke vorm van kwaliteitsverlies van waardevolle objecten. Het leeuwendeel van deze objecten zijn gemaakt van organische materialen zoals hout, perkament, ivoor en zijn zeer hygroscopisch [12]. Het hygroscoop gedrag van deze materialen hangt af van hun mogelijkheid om water op te slaan bij een relatieve vochtigheid onder 100%. Deze materialen tonen niet enkel hygroscoop gedrag maar gaan ook uitzetten en krimpen bij respectievelijk het stijgen en dalen van het vochtgehalte. [4] Wanneer het uitzetten en krimpen niet uniform verloopt over het gehele materiaal, zullen er spanningen ontstaan die leiden tot vervormingen van het object. Typische fysische schadegevallen zijn: - Barsten in hout en ivoor door lage relatieve vochtigheid - Delaminatie van verf, papier en fineer door lage relatieve vochtigheid - Crosslinking door hydrolyse (chemische veroudering van cellulose). Als gevolg van crosslinking (covalente of ionische binding tussen twee polymeerketens) wordt het materiaal stijver en brosser. Dit is het geval bij papier, textiel, etc. - Verlies van soepelheid bij textiel door fluctuaties in temperatuur en relatieve vochtigheid Responstijd van objecten Naast de kennis over de gevoeligheid van objecten aan hoge/ lage temperaturen en relatieve vochtigheid en de fluctuaties ervan, is het ook nodig een inzicht te hebben in de snelheid waarmee materialen reageren op fluctuaties [7]. Korte verstoringen in relatieve vochtigheid zullen over het algemeen niet leiden tot een grote verandering van het vochtgehalte in materialen (het evenwichtsvochtgehalte). De responstijd is de tijd die een object nodig heeft om volledig in evenwicht te komen met de nieuwe omgevingscondities. In de literatuur wordt de responstijd vaak voorgesteld door gebruik te maken van de halfwaardetijd. Dit is de tijd die een object nodig heeft om de helft van de totale verandering te ondergaan. Aangezien de verandering van het evenwichtsvochtgehalte van objecten in het begin het grootst is, hebben de objecten ongeveer driemaal de halfwaardetijd nodig om volledig in evenwicht te komen met de nieuwe omgevingscondities [7]. De halfwaardetijd hangt af van het type materiaal, het formaat van het object en de afwerking van het oppervlak. Grote dikke houten panelen met een dampdichte laag zullen veel langzamer in evenwicht komen met een nieuwe omgeving dan een klein dun onbehandeld houten object. Hieronder is een overzicht gegeven van enkele objecten en de typische tijdsschaal waarin zij zich aanpassen aan een verandering van relatieve vochtigheid. Tim Gavel, Hannes Oppeel 19

20 Type objecten Halfwaardetijd Minuten Enkel vel papier of foto Minuten Linnen en voorlijming Minuten uren Uren 3 mm dikke onafgewerkte houten plank ± 2 uur Olie grondering en verf Uren dagen Dagen Onafgewerkte houten plank van 1 cm dikte ± 1 dag Spieraam van schilderij 2 tot 3 dagen Vergulde 1 cm dikke plank / schilderijlijst (achterzijde vrij) ± 5-7 dagen Houten plank van 1 cm dikte afgewerkt met een vernis of verf ± 13 dagen Tabel 2: De tijdschaal waarin verschillende objecten zich aanpassen aan een verandering in relatieve vochtigheid [5], [11] Luchtpolluenten De negatieve effecten van verschillende luchtpolluenten op de aanwezige kunstwerken in kerken spelen een belangrijke rol bij conservatiedoeleinden. In veel publicaties wordt verwezen naar het werk van C.K. Huynh [13] over de invloed van kaarsen en wierook als polluenten die het interieur van de kerk vervuilen. Het onderzoek is gevoerd in een typische Gotische kerk uit de middeleeuwen te Genève. Hieronder worden de conclusies van dit onderzoek uitgelegd. Verkeerspollutie Om de impact van de verkeerspollutie te meten in het interieur van een kerk in Genève, Zwitserland werd lood als indicator gebruikt. Lood is hiervoor een ideale indicator aangezien dit vrijkomt bij de verbranding in motoren. Het resultaat in Figuur 4 toont aan dat er een significant verschil is tussen de concentratie lood binnen en buiten. Het lood is door de jaren heen door middel van fijn stof van de externe verkeersbron door infiltratie de kerk binnengedrongen en heeft zich gemengd met de polluenten van bronnen binnen in de kerk zoals kaarsen en wierook. Dit wordt aangetoond door het lagere loodgehalte binnenin de kerk met een maximum van 3,6% in tegenstelling tot maximum 28,3% in het stof buiten. Hieruit kan geconcludeerd worden dat stofafzetting op muren en oppervlaktes vooral het gevolg is van polluenten die gecreëerd worden binnen in de kerk. Figuur 4: Loodconcentraties in gesedimenteerd stof dat verzameld is binnen de kerk en vergeleken met stalen van buiten Tim Gavel, Hannes Oppeel 20

21 Het spreekt voor zich dat in de OLV-Hemelvaartkerk te Watervliet de loodconcentraties veel lager zullen zijn dan deze voorgesteld op deze grafiek, aangezien er quasi geen verkeer passeert in vergelijking met de kerk in Genève. Er mag er dan van uitgegaan worden dat, wanneer er sprake is van afzetting van luchtpolluenten, het gaat om polluenten die ontstaan zijn in de kerk zelf. Kaarsroet en wierook Na monitoring werd onder statische omstandigheden, dus nagenoeg geen ventilatie, een toename geregistreerd in luchtpolluenten na het gebruik van kaarsen en wierook tijdens een viering. In Figuur 5 kan afgeleid worden dat wierook het grootste aandeel heeft in de concentratie van polluenten in de lucht. Er is echter wel een vertraging tussen het moment dat wierook en kaarsen gebruikt worden en de toename in de grafiek. Dit kan verklaard worden door het feit dat er enige tijd moet verstrijken voor de polluenten verspreid worden over het hele volume van de kerk. Figuur 5: Concentratie luchtpolluenten gedurende 4 dagen; de maximumconcentratie correspondeert met het verbranden van wierook tijdens de dienst Vervolgens werd het effect van ventilatie op het verdrijven van de polluenten bekeken. Snel bleek dat door beter te ventileren, de concentratie polluenten in de lucht sneller afneemt (Figuur 6). Hierdoor kan aangenomen worden dat door mechanisch te ventileren het probleem op een eenvoudige en economische manier kan opgelost worden, maar dit zou echter betekenen dat er een veel grotere energievraag is om de kerk op te warmen. Indien er gebruik gemaakt wordt van een warmeluchtverwarmingssysteem, kan de concentratie aan polluenten beperkt worden door de lucht te extraheren, te filteren en terug de kerk in te blazen. Tim Gavel, Hannes Oppeel 21

22 Figuur 6: Semi-logaritmische grafiek van de concentratie polluenten in de kerk voor verschillende ventilatiesystemen (statisch met deur open/gesloten en mechanische ventilatie). Hoewel het verbranden van wierook het grootste aandeel polluenten uitmaakt, draagt kaarsroet ook zijn deel bij. Vanwege zijn ceremoniële waarde kan wierook niet vermeden worden bij het gebruik van de kerk, maar de traditionele kaarsen kunnen daarentegen vervangen worden door kaarsen met een andere chemische samenstelling of er kan zelfs geopteerd worden voor elektrische lampjes, zodat er minder of geen roet- en stofdeeltjes vrijkomen. Luchtfiltering Filtratie van de inblaaslucht is essentieel voor het verwijderen van vervuilingen in de buitenlucht die de collectie en de klimaatinstallatie kunnen verontreinigen. De filters dienen dusdanig gemonteerd te worden dat er geen ongefilterde lucht de kerk kan binnendringen. Tocht Tocht vergroot de afzetting van luchtpolluenten op het interieur en constructiedelen wat bijvoorbeeld kan resulteren in zwarte muren. Er bestaan twee hoofdmechanismen die afzetting veroorzaken en deze worden bovendien versterkt door temperatuurgradiënten [14]. Het eerste mechanisme is thermoforese, waarbij de polluenten voortdurend botsen met de luchtmoleculen ten gevolge van thermische luchtstromingen, de moleculaire impact bezit echter meer energie aan de warme kant ten gevolge van een grotere snelheid. Het gevolg hiervan is dat de polluenten een momentum krijgen van de warme lucht en zich in de richting van de koude muur bewegen, waar ze uiteindelijk tegen botsen en kans hebben om te blijven hangen. Een tweede mechanisme is aerodynamica. Als lucht langs de wanden stroomt, zal de ruwheid van de muur verstoringen veroorzaken in de stroom. Wanneer de inertie van de luchtpartikels het viskeuze gedrag van de luchtstroom domineert, zal het traject van de polluenten afwijken en kunnen ze neerslaan op de wand. Daarnaast zijn er nog twee nevenmechanismen die versterkt worden naarmate de temperatuur stijgt: Brownse afzetting en elektrostatische opname. Brownse afzetting betekent dat de vrije beweging van de polluenten intenser wordt naarmate ze meer energie krijgen van de invallende luchtpartikels. Bij elektrostatisch opname krijgt de warme lucht een lagere relatieve vochtigheid en een gereduceerde dissipatie van elektrische ladingen. Tim Gavel, Hannes Oppeel 22

23 Comfort- en conservatie-eisen Comforteisen De parameters voor het dimensioneren van een HVAC-installatie in een kerk kunnen niet enkel bepaald worden in functie van de conservatie van de kunstwerken in de kerk. Op tijdstippen dat de kerk gebruikt wordt, moet deze ook thermisch comfortabel zijn voor de mensen die aanwezig zijn. Er zijn zes hoofdfactoren die de conditie van het thermisch comfort definiëren. Daarnaast zijn er nog een aantal secundaire factoren die in sommige omstandigheden de comfortervaring beïnvloeden. De hoofdfactoren zijn [15]: - Stofwisseling - Kleding - Stralingstemperatuur - Luchttemperatuur - Vochtigheid - Luchtsnelheid Secundaire factoren zijn leeftijd, adaptatie en geslacht. Deze kunnen in rekening gebracht worden in bepaalde omstandigheden of ontwerpen. In het geval van kerkgangers moet rekening gehouden worden dat de stofwisseling, gepaard gaande met de intensiteit van de activiteit (mis, concert, ) laag is. Een richtwaarde voor de metabolische warmte die gegenereerd wordt is 60W/m². Vergeleken met slapen (40W/m²) en wandelen (100W/m²), kan gesteld worden dat de mensen zelf slechts weinig warmte produceren [16]. In zomersituaties vormt dit zelden een probleem, in wintersituaties kan het net zeer oncomfortabel worden als de luchttemperatuur niet hoog genoeg is om dit te compenseren. De hoeveelheid warmte die verloren gaat, hangt af van de kledij die de persoon op dat moment draagt. In de winter zal men dikker gekleed zijn dan in de zomer, waardoor een groter deel van die metabolische warmte bij het lichaam gehouden wordt. Dit zorgt ervoor dat er in de zomer en winter een verschillende comfortzone zal zijn. Grootteordes van de isolatiewaarde van kleding (I clo ) in de winter zijn tussen 1.0 en 2.0 clo (1.0 clo = m²k/w) en in de zomer rond 0.5 clo. Om een idee te geven van wat deze waarde nu precies betekenen, worden deze in onderstaande tabel verklaard aan de hand van het equivalent aan kledij. Kledij Clothing factor [clo] Naakt 0 Lichte zomerkledij (lange, lichte broek, open nek hemd met 0,5 korte mouwen Normale kledij (Lange broek, hemd met lange mouwen, trui) 1 Typisch zakenpak met katoenen jas 1,5 Dikke winterkledij (lange, dikke broek, hemd met lange 2 mouwen, wollen trui, dikke winterjas) Tabel 3: Clothing factors van verschillende kledijsamenstellingen volgens EN ISO 7730 Tim Gavel, Hannes Oppeel 23

24 Verder is de stralingstemperatuur de warmte of koude die van oppervlakten wordt afgestraald. In onverwarmde of weinig verwarmde kerken is de oppervlaktetemperatuur van de vloer en de wanden laag, waardoor koude wordt afgestraald (tenzij er vloerverwarming aanwezig is). Tijdens een viering is de koude die afgestraald wordt verantwoordelijk voor het lokale discomfort van de kerkgangers. Zoals hierboven vermeld heeft ook de luchtvochtigheid een invloed op de comfortervaring van een ruimte. Een bepaalde vochtigheidsgraad van lucht is nodig ter bevordering van het thermisch comfort en de gezondheid, een te lage of te hoge vochtigheid kan een negatieve invloed hebben. Een te lage relatieve vochtigheid veroorzaakt uitdroging van de huid en slijmvliezen, waardoor bij gevoelige mensen de kans op huid-, oog- en luchtwegirritaties wordt vergroot. Een te hoge relatieve vochtigheid belemmert het latente warmteverlies van de mens via de huid, waardoor eerst het thermische comfort wordt beïnvloed en in ernstige gevallen oververhitting en uitputting kan optreden. De optimale relatieve vochtigheid ligt tussen 30% en 60% [15]. De laatste parameter die een rol speelt bij comfort is tocht. Tocht wordt ervaren als het ongewild lokaal afkoelen van het lichaam door luchtverplaatsing. De ervaring van tocht hangt af van de luchtsnelheid, de luchttemperatuur, de activiteit waarmee men bezig is en de kledij. De gevoeligheid voor tocht is het grootst waar de huid niet bedekt is door kleren, zoals het hoofd, de nek, schouders, onderbenen, enkels en voeten. Omwille van het thermisch comfort wordt aanbevolen om de luchtsnelheden onder 0.10 à 0.15 m/s te houden. Figuur 7: Comfortzones voor zomer- en wintersituatie. Gebaseerd op ASHRAE Standard 55 en aangepast [15] Op Figuur 7 zijn duidelijk de comfortzones in de zomer en winter te zien. De afgebakende zones in deze grafiek zijn niet altijd geldig. Indien de mensen meer kleren aanhebben, meer stofwisseling Tim Gavel, Hannes Oppeel 24

25 hebben of als er meer warmte van oppervlakken wordt afgestraald, zullen de comfortzones naar links verschuiven. Omgekeerd geldt ook: als mensen minder kleren aanhebben, een lager metabolisme hebben of als er meer koude afgestraald wordt van oppervlakken, dan zullen de comfortzones naar rechts verschuiven. Klimaatklassen volgens ASHRAE 2011 [5] Risico s voor het kerkinterieur kunnen worden benoemd en gekwantificeerd als oorzaak en gevolg bekend zijn. De grootte van het risico wordt bepaald door de waarschijnlijkheid waarmee een bepaalde gebeurtenis of door de snelheid waarmee een bepaald vervalproces plaatsvindt en het effect, de consequentie of de impact ervan. Om een idee te krijgen over die kans, kan een gebouw worden ingedeeld in een bepaalde klimaatklasse, afhankelijk van de temperatuur en relatieve vochtigheid die in het gebouw. Hieronder worden de risico s en voordelen per klimaatklasse toegelicht [5]. Klasse AA: Geen risico op mechanische schade bij de meeste objecten en schilderijen. Sommige metalen en mineralen zouden kunnen degraderen als de relatieve vochtigheid van 50% een kritische relatieve vochtigheidswaarde onder- of overschrijdt. Chemisch instabiele objecten worden onbruikbaar in decennia. Klasse A(s): Klein risico op mechanische schade bij zeer kwetsbare objecten: geen mechanische schade aan de meeste objecten, schilderijen, fotografisch materiaal en boeken. Chemisch instabiele objecten worden onbruikbaar in decennia. Klasse B: Matig risico op mechanische schade bij zeer kwetsbare objecten. Zeer klein risico op schade bij de meeste schilderijen en fotografisch materiaal, sommige objecten, sommige boeken. Geen risico voor veel objecten en de meeste boeken. Chemische instabiele objecten worden onbruikbaar in decennia en eerder als temperatuur regelmatig boven 30 C komt. Maar koude winters verlengen de bruikbaarheid (levensduur). Klasse C: Hoog risico op mechanische schade bij zeer kwetsbare objecten. Matig risico op schade bij de meeste schilderijen, fotografisch materiaal, sommige objecten en boeken. Zeer klein risico op schade bij veel objecten en de meeste boeken. Chemische instabiele objecten worden onbruikbaar in decennia en eerder als temperatuur regelmatig boven 30 C komt. Maar koude winters verlengen de bruikbaarheid (levensduur). Klasse D: Groot risico van plotselinge of cumulatieve mechanische schade bij de meeste objecten en schilderijen als gevolg van lage relatieve luchtvochtigheidsbreuk. Maar voorkomt delaminering en vervorming, vooral in fineer, schilderijen, papier en fotografisch materiaal. Schimmelgroei en snelle corrosie wordt vermeden. Chemische instabiele objecten worden onbruikbaar in decennia en eerder als temperatuur regelmatig boven 30 C komt. Maar koude winters verlengen de bruikbaarheid (levensduur). Vervolgens geeft Tabel 4 de voorwaarden weer waaraan het klimaat moet voldoen om in een bepaalde klimaatklasse te horen. Aan de hand ervan kan een inzicht verworven worden over de risico s op schade van de objecten die zich in het klimaat bevinden. Tim Gavel, Hannes Oppeel 25

26 Klasse Temperatuur Relatieve vochtigheid Dagelijkse fluctuaties Dagelijkse fluctuaties Seizoenaanpassing Seizoenaanpassing AA ± 2 C θ gem ± 2 C ± 5% RV gem ± 0% A ± 2 C θ gem ± 2 C ± 5% RV gem ± 10% As ± 2 C θ gem +5/-10 C ± 10% RV gem + 0% B ± 5 C θ gem +10 C ± 10% RV gem ± 10% C - <30 C (25 C) % D <75% Tabel 4: ASHRAE klimaatklassen Historische gebouwen en kerken kunnen in klimaatklasse B, C en D geklasseerd worden. Hoe slechter de klasse waarin een gebouw wordt geklasseerd, hoe meer kans dat er schade optreedt bij objecten die in het gebouw aanwezig zijn. Conservatie van kunstwerken volgens de literatuur Naast een algemene bepaling van een museaal klimaat voor de conservatie van kunstwerken, is er ook veel onderzoek gebeurd naar klimaatomstandigheden voor specifieke objecten zoals paneelschilderijen, orgels, etc. Daarom is het nuttig om deze met elkaar te vergelijken. Aangezien het kerkinterieur en decoratie altijd in meer of mindere mate bestaat uit hout, is het eerst nodig om het gedrag en de conservatie eisen van hout te beschrijven. Het gedrag van hout De oorsprong van het hout van kunstwerken vanaf de 13 e eeuw Tijdens de middeleeuwen zijn Vlaanderen en Nederland stelselmatig ontbost. Door een steeds toenemende vraag naar kwalitatief hout gingen handelaars op zoek naar nieuwe bronnen. Onder kwalitatief hout wordt voornamelijk constructiehout bedoeld, brandhout en hout voor meubels was wel nog afhankelijk van lokale bronnen. Over het algemeen waren de meest geschikte regio s gelegen langs de grote rivieren van Noord-Europa. Figuur 8: De grote rivieren van Noord-Europa. De grote bossen langs deze rivieren zijn mogelijk historische bronnen voor hout [17] Tim Gavel, Hannes Oppeel 26

27 Vanaf de 13 e eeuw werd al het eiken hout in Vlaanderen geïmporteerd van uit de Baltische regio. De oudste fysische bewijzen van het gebruik van Baltische eik in Vlaanderen dateren uit de 14 e eeuw. Hoewel de scheepsbouw de belangrijkste industriële toepassing was van geïmporteerd hout, werd het hout ook erg geapprecieerd om zijn typische eigenschappen. Baltische eik wordt namelijk gekenmerkt door een trage en regelmatige groei waardoor het hout een fijne korrel heeft (bv. een fijne jaarringenstructuur) [17]. Een fijne korrel gecombineerd met een zaagmethode loodrecht op de jaarringen (bijvoorbeeld kwartier gezaagd hout), resulteert in planken en panelen met een kleinere elasticiteitsmodulus. Van de stam werd enkel gebruik gemaakt van het merg- en kernhout voor het vervaardigen van panelen en sculpturen. Het merghout bestaat meestal uit bruin sponsachtig weefsel, waarvan de biologische functie beperkt blijft tot de eerste jaarstengel van de boom. Het kernhout is meestal gekleurd, de biologische functie van het kernhout blijft praktisch beperkt tot het vormen van een mechanische en biologische weerstand biedend geraamte. Men spreekt over dood hout omdat het onbeweeglijk blijft. Hoewel sommige dendrochronologische studies nochtans hebben aangetoond dat er beelden zijn die ook uit het spinthout zijn gemaakt, is het leeuwendeel van de sculpturen dit niet. Spinthout is zeer licht gekleurd en heeft het vervoeren van het ruw sap, bestaande uit minerale bestanddelen, van de wortels naar de bladeren als functie. Het spinthout noemt men het levend hout, voor het maken van kunstwerken is dit echter minderwaardig hout. Het gebruik van uitsluitend kernhout heeft waarschijnlijk te maken met de duurzaamheid van het beeld. Het visuele aspect van het kernhout is minder relevant vanwege het polychrome verven van de sculpturen [18]. Gedrag van hout onder invloed van vocht Voor de instandhouding en het groeiproces van de boom is transport van sappen noodzakelijk. Hierdoor heeft hout een poreuze en gedeeltelijk capillaire structuur. Vaak is de hoeveelheid water in een boom groter dan het droog gewicht van de boom zelf. Zoals bij elk poreus materiaal zullen de eigenschappen van hout fluctueren in functie van de hoeveelheid vocht die erin aanwezig is. Omdat hout een poreus materiaal is kunnen bij vochtopname verschillende stadia worden onderscheiden (zie Figuur 9): - monomoleculaire adsorptie van water door de celwand - meerlagige adsorptie met ontstaan van contactpunten - vulling van de capillairen door meniscuswerking Poriën met een kleine doorsnede zullen eerst worden gevuld, pas daarna de grotere poriën. Tim Gavel, Hannes Oppeel 27

28 Figuur 9: Bevochtiging van hout: a. monomoleculaire adsorptie; b. meerlagige adsorptie; c. capillaire condensatie (meniscuswerking) Vers hout kan tot 50% water bevatten. Door drogen in atmosfeer of in ovens kan de vochtigheid teruggebracht worden tot een waarde van ongeveer 14%. Het drogen van hout gebeurt zonder volumeafname tot het vezelsaturatiepunt wordt bereikt. Dit is het punt waarbij de vezels geen vocht meer bevatten. Nadien wordt water van de celwanden onttrokken; gedurende dit proces wordt het hout harder en krimpt het. Onder bepaalde omstandigheden zal een evenwicht (EMC = equilibrium moisture content) worden bereikt tussen het vochtgehalte in de lucht en het vocht in het hout. In Figuur 10 wordt de relatie tussen het evenwichtsvochtgehalte, temperatuur en relatieve vochtigheid weergegeven. Figuur 10: het evenwichtsvochtgehalte dat hout wil bereiken bij overeenkomstige waarden voor relatieve vochtigheid en temperatuur [19] Wat opvalt in Figuur 10 is dat voornamelijk de relatieve vochtigheid een invloed heeft op de EMCwaarde. Enkel bij een hoge vochtigheid ontstaat er een duidelijk effect van de temperatuur op de EMC-waarde. De invloed van de temperatuur op deze waarde wordt pas significant bij grote relatieve vochtigheden. Tim Gavel, Hannes Oppeel 28

29 Gezien de anisotrope structuur van hout hebben uitzettings- en krimpverschijnselen andere eigenschappen in de verschillende vezelrichtingen: vochttransport gaat het gemakkelijkste in de richting van de vezels, het minst gemakkelijk tangentieel op de vezels. Op Figuur 11 is te zien dat de graad van vochttransport significant invloed heeft op de uitzetting: de uitzetting tangentieel op de vezel is meer dan een factor 10 groter dan de uitzetting longitudinaal met de vezel voor de moderne Schotse den [20]. Eik zal een gelijkaardig uitzettingspatroon kennen, al zal de graad van vervorming afwijken van het voorbeeld. Op de figuur is te zien dat de curve van het drogen hoger is dan de curve van het bevochtigen; dit verschil noemt hysterese. Figuur 11: Hygrische uitzetting van de verschillende vezelrichtingen van de moderne Schotse den [20] Doordat de sculpturen en panelen enkel met het duurzaamste hout, namelijk het kernhout, zijn gemaakt [18], is vooral tangentiële krimp van belang: de buitenzijde droogt sneller dan de binnenzijde van het beeld of paneel. Een typerend gevolg hiervan is dat planken die niet centraal uit de stam gezaagd zijn, kromtrekken [21]. Figuur 12: Vochttransport in hout en de gevolgen hiervan op krimp bij droging Door de wisselende relatieve vochtigheid van lucht zal het vochtgehalte in hout variëren. Het krimpen en uitzetten dat daarmee samenhangt, wordt het werken van hout genoemd. In analogie met vormveranderingen ten gevolge van temperatuurschommelingen (thermische dilatatie) spreekt men ook van hygrische dilatatie. Hiermee moet bij gebruik rekening gehouden worden. De wintersituatie is het gevaarlijkst voor het hout: het opwarmen van buitenlucht heeft een zeer lage luchtvochtigheid tot gevolg, wat dus kan leiden tot belangrijke vervormingen. Tim Gavel, Hannes Oppeel 29

30 Het gevaar voor barsten is het grootst bij massieve stukken hout. Daar waar fijne houten elementen zeer snel uitzetten en krimpen, zelfs bij korte fluctuaties in relatieve vochtigheid, is er bij massieve elementen sprake van hygrische dilatatie in de buitenste schil. De toename van de droogsnelheid leidt tot een niet-uniforme verdeling van het vocht in het drogend materiaal. Hierdoor ontstaan grote interne spanningen die barsten tot gevolg kunnen hebben. Barsten die aanwezig zijn in het hout zorgen voor een ontspanning waardoor het hout grotere fluctuaties aankan. Figuur 13: Meting en simulatie (volgens de 1D-methode van Schellen [22]) van het vochtgehalte in het geval van een drogende cilinder hout (diameter 25mm) bij een overgang van RV van 85% naar 35%. Op Figuur 13 is te zien dat de buitenste millimeters van de cilinder zich zeer snel aanpassen aan het veranderde klimaat. De kern van de cilinder, die zich slechts op 12,5mm van de buitenkant bevindt, doet er al minstens 16 uur over om zich aan het nieuwe klimaat aan te passen. Een schijnbare oplossing voor het probleem is om tijdens de wintersituatie de binnenlucht te bevochtigen als het verwarmingssysteem wordt opgezet, zodat de negatieve relatieve vochtigheidspiek niet meer zo uitgesproken wordt. Dit heeft als consequentie dat het risico op condensatie en schimmels op de koude oppervlakken enorm toeneemt. De toepasbaarheid van dit principe hangt af van het microklimaat van elke kerk. Paneelschilderijen In de 15 e eeuw, wanneer zowel tempera als olieverf gebruikt werd om te schilderen, bestond een typisch houten paneelschilderij uit meerdere lagen. De ondergrond werd opgebouwd uit houten panelen waarop een preparatielaag werd aangebracht door op het hout een laag huidlijm te voorzien. Soms werd onder de preparatielaag nog een textiel gestoken. Op de preparatielaag kon tenslotte geschilderd worden dat men in sommige gevallen nog afwerkte met een goudlaagje. Om te weten hoe de aparte lagen van een dergelijk paneelschilderij optimaal geconserveerd kunnen worden, werden in het onderzoek van Mecklenburg [20], [23] de verschillende lagen onderworpen aan veranderingen in temperatuur en relatieve vochtigheid. Hieruit bleek dat bepaalde lagen gevoeliger waren aan hoge of lagere waarden van relatieve vochtigheid of temperatuur. Uit het onderzoek bleek ook dat objecten ouder dan 70 jaar, dus voor het ontstaan van de grote HVACinstallaties, al vaak significante veranderingen hebben gekend in temperatuur en relatieve Tim Gavel, Hannes Oppeel 30

31 vochtigheid. Hierdoor is de kans zeer groot dat de veroorzaakte spanningen door deze klimatologische veranderingen voldoende waren om de materialen te verstevigen in zowel trek als druk. Hierdoor kunnen de materialen hogere fluctuaties in relatieve vochtigheid weerstaan. Hieronder is een overzicht gegeven van de bekomen intervallen waartussen de materialen kunnen bewaard worden zonder gevaar voor plastische vervormingen. Materiaal Minimum RV Maximum RV Hout 30% 80% Huidlijm 30% 70% Linnen 10% 90% Preparatielaag 20% 70% Wit loden verf 20% 75% Napels gele verf 20% 75% Tabel 5: Maximale variaties in relatieve vochtigheid voor de verschillende materialen van een paneelschilderij [20] Uit deze tabel kan afgeleid worden dat een relatieve vochtigheid tussen 30 en 70% RV geen problemen zal opleveren voor de bewaring van oude paneelschilderijen. De grenzen voor minimale en maximale temperatuur worden in tegenstelling tot de relatieve vochtigheid enkel bepaald door de verfsoorten: zowel hout als huidlijm kunnen in zeer lage en temperaturen bewaard worden zonder gevaar voor plastische deformaties. Olieverven en acrylverven worden best op een zo laag mogelijke temperatuur bewaard ten einde chemische stabiliteit te verzekeren. De maximale temperatuur wordt best beperkt tot 23,3 C. Er kan een minimumtemperatuur vastgelegd worden voor deze verfsoorten aangezien deze op een bepaalde temperatuur de glastransitietemperatuur bereiken. Onder deze temperatuur worden de anders flexibele verven zeer bros. In Tabel 6 is voor verschillende verfsoorten de glastransitietemperatuur weergegeven, hieruit kan aangenomen worden dat een minimum temperatuur van 12,5 C een zeer veilige aanname is om het bros worden van de verf te voorkomen [23]. Verfsoort Acrylverf Alkydverf Olieverf Glastransitietemperatuur ± 10 7,2 C ± 4,4 1,6 C ± 0-25 C Tabel 6: De glastransitietemperatuur van verschillende verfsoorten [23] Op Figuur 14 zijn typische barsten in de verflaag te zien die voorkomen op paneelschilderijen. Wat opmerkelijk is, is dat deze barsten starten vanaf de preparatielaag (onafhankelijk van de gebruikte verf) en dat deze voornamelijk loodrecht op de houtvezels staan. Dit betekent dat het houten paneel en de preparatielaag onafhankelijk van elkaar reageren op de veranderingen van relatieve vochtigheid. Het houten paneel werkt bijna niet in de vezelrichting, waardoor het krimpen van de preparatie- en verflaag verhinderd wordt bij lage relatieve vochtigheid. Hierdoor ontstaan er loodrecht op de houtvezels trekspanningen die kunnen leiden tot barsten. Loodrecht op de houtvezels werkt het hout meer, waardoor barsten parallel met de houtvezels beperkt worden als het paneel droogt. Tim Gavel, Hannes Oppeel 31

32 Figuur 14: Detail van Madonna and Child Enthroned, ca. 1420, Washington National Gallery of Art. De barsten zijn duidelijk te zien Daarnaast ontstaan ook barsten tussen de verschillende panelen van het schilderij door hoge relatieve vochtigheid. Bij hoge relatieve vochtigheid zet het hout uit, voornamelijk loodrecht op de houtvezel. De panelen worden verhinderd om uit te zetten door de lijst of de naburige panelen en worden door de hoge drukspanning ingedrukt. Hierdoor worden de panelen kleiner dan voorheen. Als een lage relatieve vochtigheid erna de panelen doet krimpen, ontstaan er spleten tussen de panelen die ervoor zorgen dat hier barsten in de preparatie- en verflaag ontstaan [20]. Schilderijen op doek Een schilderij op doek reageert op een specifieke manier op een bepaald klimaat vanwege de opbouw ervan. Een canvasschilderij is samengesteld uit een kader met een linnen doek waarop een dunne laag lijm gestreken wordt. Vervolgens wordt een grondlaag aangebracht met olieverf, waarop de tekening met olieverf wordt geschilderd. Een vaak voorkomende misvatting over canvasschilderijen gaat over de krachtenoverdracht. Het is niet het canvas dat de grootste spanningen ten gevolge van verschillen in relatieve vochtigheid opneemt, maar de lijmlaag die erop ligt [20]. Aangezien dezelfde materialen gebruikt werden bij de schilderijen op doek als bij de paneelschilderijen, kunnen dezelfde conservatie-eisen overgenomen worden. Omwille van de andere opbouw kent het canvasschilderij echter wel andere schadepatronen. Er bestaan drie verschillende schadepatronen die veroorzaakt worden door slechte klimatologische omstandigheden: - Barsten in de verflaag door de uitzetting van het spieraam - Barsten in de verflaag door grote fluctuaties in relatieve vochtigheid - Afschilferen van de verflaag door condensatie Ten gevolge van hoge relatieve vochtigheid zullen het houten raamwerk en het doek gelijk uitzetten zodat er geen grote spanningen ontstaan. De hoek van het raamwerk, het spieraam, wordt echter na verloop van tijd open geduwd waardoor een spleet ontstaat tussen de twee stijlen. Aangezien het doek vastgehecht is aan de stijlen van het raamwerk, wordt de hoek van het doek opengetrokken en Tim Gavel, Hannes Oppeel 32

33 zullen er barsten ontstaan in de verflaag ten gevolge van deze trekspanningen (Figuur 15). De barsten blijven echter beperkt tot de hoeken van het doek aangezien deze als uitzettingsvoeg gaan werken. Figuur 15: De combinatie van barsten ten gevolge van de uitzetting van het spieraam en fluctuaties in relatieve vochtigheid Indien het canvasschilderij blootgesteld wordt aan cycli van grote veranderingen in relatieve vochtigheid, ontstaan er ook barsten in de hoeken, als gevolg van het drogen van de lijmlaag onder de verf. Wanneer de relatieve vochtigheid daalt, ontstaan grote trekspanningen in deze dunne laag waarbij de verf deze spanningen niet aan kan en waardoor er barsten ontstaan (Figuur 15). Deze barsten blijven meestal beperkt tot de hoeken, maar kunnen onder invloed van lage temperaturen uitbreiden over het ganse schilderij (Figuur 16), dit omwille het brosse karakter van verf onder de glastransitietemperatuur. Figuur 16: George Parker, Geen titel, Dit canvasschilderij vertoont barsten ten gevolge van grote fluctuaties in relatieve vochtigheid in combinatie met een lage temperatuur De meest extreme schade aan canvasschilderijen is de delaminatie van de verflaag. Dit komt voor indien het schilderij blootgesteld wordt aan condensatie. De delaminatie gebeurt vooral aan de onderkant van het schilderij aangezien condens de neiging heeft van het schilderij af te lopen. Zodra de lijmlaag van het schilderij nat wordt, wordt zijn adhesieve kracht verstoord. Als het schilderij vervolgens krimpt, verliest de laag zijn adhesieve kracht volledig en delamineren de grondlaag en de tekening volledig van het doek. Tim Gavel, Hannes Oppeel 33

34 Orgels Naast de typische schadegevallen die het gevolg zijn van een te hoge of te lage temperatuur en relatieve vochtigheid is het orgel zeer gevoelig aan stratificatie. De meeste verwarmingssystemen, zo ook het huidige verwarmingssysteem aanwezig in de kerk, zorgen voor een stratificatie van de luchttemperatuur tijdens het verwarmen. Hierdoor ontstaat er in de orgelpijpen een temperatuurgradiënt waarbij de pijpen bovenaan warmer zijn dan onderaan. Deze temperatuurgradiënt van de pijpen heeft tot gevolg dat het orgel minder heldere klanken produceert dan wanneer er geen temperatuurgradiënt is [24]. Vanaf eind jaren 60 zijn tal van studies gestart, uit het groeiend besef dat het brengen van monumentale kerken naar hogere comfortniveaus door het opwarmen tot negatieve effecten leidde op het gebouw en het interieur. Bij deze onderzoeken werd het orgel gezien als het meest kritische onderdeel van de kerk. In Tabel 7 zijn de aanbevelingen van de verschillende onderzoeken weergegeven, het leeuwendeel daarvan zijn echter wel gebaseerd op deze van Knol en Mainz [1]. De belangrijkste parameters in Tabel 7 zijn de binnen luchttemperatuur θ i en de relatieve vochtigheid aan het orgel RV orgel. Voor de meeste parameters in de tabel worden zowel onder- als bovengrenzen opgelegd. De ondergrens van relatieve vochtigheid voorkomt dehydratatie van houten objecten, de bovengrens belet schimmelgroei. De meeste literatuur geeft een ondergrens van relatieve vochtigheid van 45 tot 50% en een bovengrens van 65 tot 75%. Extreme fluctuaties moeten ook zoveel mogelijk vermeden worden. Om te beletten dat er zeer lage relatieve vochtigheden in de winter ontstaan, moet de binnenluchttemperatuur beperkt worden tot 15 à 16 C (zie Tabel 7). Om deze aanname te kunnen maken wordt verondersteld dat mensen in de winter typisch warm gekleed zijn (I clo = 1,5 à 2,0). In het geval van erge vrieskou wordt de binnenluchttemperatuur zelfs beperkt tot 12 C (Knol). θ i [ C] u [m/s] θ prim [ C] RV orgel [%] θ orgel [ C] θ 0 [ C] u 0 [m/s] Δθ/Δt [ C/h] θ vloer [ C] Badertscher Hennings < 0, < 15 Supper < 60 Schlieder < 2 Knol < < θ i +25 < 1,5 Mainz < 1,5 < 25 Schmidt Thomson < 1,5 Stadtmüller Gossens ,5-2 Mayer < 0, Künzel snel Vorenkamp 1993 < 18 8 < 1 Arendt Bordass 1996 < 0, < 1,5 < 25 Schellen 2002 < <0,1..0, < θ i +25 < 2 < 1..2 < Tabel 7: Aanbevelingen van internationale literatuur ter conservatie van monumentale kerken en hun interieur [1] Tim Gavel, Hannes Oppeel 34

35 Met: θ i = binnen luchttemperatuur [ C] u = luchtsnelheid binnenlucht [m/s] θ prim = primaire luchttemperatuur [ C] RV orgel = relatieve vochtigheid bij het orgel [%] θ vloer = vloertemperatuur [ C] θ orgel = luchttemperatuur bij het orgel [ C] θ 0 = lucht inblaastemperatuur [ C] u 0 = lucht inblaassnelheid [m/s] Δθ/Δt = opwarmsnelheid [ C/h] Als de kerk verwarmd wordt met een luchtverwarmingssysteem, mag de temperatuur van de inblaaslucht θ 0 maximaal 25 C warmer zijn dan de binnenluchttemperatuur om de stratificatie zoveel mogelijk te voorkomen. De gemiddelde inblaassnelheid v 0 moet gelimiteerd worden op 2 m/s om tocht te vermijden. Indien de kerk met vloerverwarming wordt opgewarmd mag de vloer maximaal een temperatuur van 25 a 28 C bereiken om te grote verticale luchtstromen en voettemperaturen te vermijden en het thermisch comfort te handhaven. In meer recente studies vanuit de jaren 90 (Künzel, Arendt en Schellen) wordt aangetoond dat schimmelgroei op koude oppervlakken kan tegengehouden worden door de kerk constant op een primaire luchttemperatuur θ prim van 5 à 8 C te verwarmen. Dit heeft echter tot gevolg dat er meer gestookt moet worden om een kerk gedurende heel de winter op temperatuur te houden. Conclusie ontwerpparameters voor comfort en conservatie Om tot ontwerpparameters te komen waaraan het nieuwe verwarmingssysteem moet voldoen, worden de belangrijkste bronnen samen gezet: - De comforteisen uit ASHRAE 55 Standard [15] - Conservatie-eisen om aan klimaatklasse C te voldoen volgens ASHRAE 2011 [5] - De bovengrens voor relatieve vochtigheid om schimmel te voorkomen [10] - Conservatie-eisen voor paneelschilderijen van M.F. Mecklenburg [20], [23] - Conservatie van het orgel volgens Schellen [1] Figuur 17: Conclusie van Comfort en Conservatie-grenzen Tim Gavel, Hannes Oppeel 35

36 Het ideale interval voor temperatuur ligt dus tussen 12,3 en 15 C, de strengste grenzen voor de relatieve vochtigheid zijn 55 en 70% (Figuur 17). Binnen dit interval zal voor elke bron aan de conservatie-eisen voldaan worden. Een minimumtemperatuur van 12,3 C is echter economisch niet aangewezen qua stookkosten, daarom zal een ondergrens van 5 C eerder worden aangenomen in de winter om oppervlaktecondensatie te vermijden. Deze ondergrens wordt tevens ook aanbevolen in de omzendbrief van Monumentenzorg Vlaanderen [25]. Tijdens een viering is het verder ook aangeraden om de temperatuur niet boven 15 C te laten komen, vanaf deze temperatuur wordt namelijk net aan de comfort- en conservatie-eisen voldaan. Voor conservatiedoeleinden is een bovengrens van 70% RV ideaal. Dit valt niet binnen de comfortgrenzen, maar dit is geen groot probleem. Het is schadelijker voor de kunstwerken en het interieur van kerken om de relatieve vochtigheid voor korte periodes te doen dalen voor het comfort van de kerkgangers. Indien het niet mogelijk is om onder de grens van 70% RV te blijven, moet een maximumgrens van 75% behouden worden. Indien de relatieve vochtigheid nog hoger wordt, is het klimaat ideaal voor het ontkiemen van schimmels. Bij de simulaties van verschillende verwarmingssystemen in deze thesis zal de kerk stationair verwarmd worden op een minimumtemperatuur van 5 C en tijdens de vieringen zal de kerk opgewarmd worden tot 15 C. Vanwege het vochtige klimaat dat al eeuwen in de kerk heerst, wordt de absolute bovengrens van 75% gebruikt om het gesimuleerde klimaat te beoordelen. Tim Gavel, Hannes Oppeel 36

37 Verwarming in kerken Door de eeuwen heen zijn kerken steeds als koude gebouwen gebruikt. Dit zorgde ervoor dat in de kerken een vrij stabiel, natuurlijk klimaat heerste waaraan de vele kunstwerken geacclimatiseerd waren. De technologische evoluties van de 20 e eeuw hebben echter geleid tot een scheiding van architectuur en zijn natuurlijke omgeving. Mechanische systemen werden geïntegreerd om een kunstmatig binnenklimaat te creëren binnen de architectuur [26]. Naast deze technologische evolutie is het gebruik van kerken over het algemeen veranderd: ze worden niet enkel gebruikt voor katholieke doeleinden, er vinden ook tentoonstellingen, diners en concerten in plaats. Tevens zijn de comforteisen van de bezoekers verstrengd. Dit heeft tot gevolg dat er fluctuaties zullen ontstaan in temperatuur en relatieve vochtigheid in de kerk wanneer deze verwarmd wordt. Pas in de jaren 60 en begin 70 kwam men tot het inzicht dat schadefenomenen aan het kerkinterieur een verband hadden met deze verwarmingssystemen. Figuur 18: Temperatuur en RV profielen, gemeten 4,5m boven het altaar in de kerk in Rocca Pietore, Italië in De pieken in T en RV zijn te wijten aan het met tussenpozen verwarmen van de kerk door warmeluchtverwarming voor dagelijkse diensten. [27] Zowat alles van het kerkinterieur is gevoelig aan deze relatieve vochtigheidsfluctuaties: schilderijen, orgels, houten beelden, preekgestoeltes en glas-in-loodramen. Schilderijen op canvas zijn gevoelig aan barsten, zwellen, blaasvorming en vervuiling; houten artefacten aan barsten en metalen aan corrosie [27]. Orgels zijn de meest gevoelige kunstwerken aangezien ze, naast hun esthetisch voorkomen, zeker hun typische klank moeten behouden. Deze karakteristieke klank kan ernstig beïnvloed worden door vervormingen en barsten in het hout, neerslaan van luchtpolluenten en verroeste pijpen [22]. Glas-in-loodramen verweren door het corroderen van de profielen ten gevolge van condensvorming. Toch zijn niet alle fluctuaties te wijten aan het opwarmen van de kerk. Na een regenachtige periode wordt het meeste vocht dat opgenomen werd door de massieve wanden, aan het buitenoppervlak verdampt. Een deel van het geabsorbeerde water migreert en wordt opgenomen door de binnenlucht [14]. Het tempo waarmee het vocht door de muur migreert, hangt af van de relatieve vochtigheid in de kerk zelf. Tim Gavel, Hannes Oppeel 37

38 Kerkverwarmingssystemen kunnen onderverdeeld worden in drie categorieën: - Niet stationaire opwarming: de kerk wordt (niet) regelmatig opgewarmd over een korte tijd - Stationaire opwarming: de kerk wordt op een constante temperatuur gehouden - Combinatie van 1 & 2: de kerk wordt op een constante ondergrens gehouden, een zogenaamde basistemperatuur, bijvoorbeeld 8 C, en wordt kort voor de dienst opgestookt tot een comfortniveau voor de dienst van bijvoorbeeld 15 C Het grote voordeel van een stationair opwarmingssysteem is dat de pieken in temperatuur en relatieve vochtigheid minder groot zijn. Hierdoor zullen de optredende inwendige spanningen in poreuze materialen beperkt worden. Daarbij worden alle oppervlaktetemperaturen constant gehouden, waardoor de kans op condensatie sterk afneemt. Het grootste nadeel van een dergelijk systeem is het energieverbruik. Verwarmen versus niet verwarmen In het onderzoek van H.L. Schellen en A.W.M. Schijndel zijn de nadelen van het verwarmen van de Waalse kerk in Delft betreffende spanningen in kunstwerken bestudeerd [28]. Op Figuur 19 is de tangentiële spanning in een houten cilinder weergegeven over het verloop van een dag. Er zijn twee gevallen weergegeven: enerzijds wordt kerk niet verwarmd, anderzijds wordt de kerk op volle capaciteit opgewarmd. Op de figuur is duidelijk te zien dat de kortstondige opwarming een grote spanningspiek veroorzaakt in het hout. Deze piek kan gereduceerd worden door het limiteren van de snelheid waarmee de luchttemperatuur verandert. Hierdoor krijgen de kunstwerken de tijd om zich aan te passen aan het veranderende binnenklimaat. Figuur 19: Tangentiële spanningen in een houten cilinder in twee gevallen: geen verwarming (streeplijn) en verwarming op volle capaciteit (volle lijn) [29] In het promotieonderzoek van dr. Ir. Henk L. Schellen [1] is een simulatiestudie gedaan naar het effect van verwarming in vergelijking met geen verwarming in de kerk. De resultaten worden hieronder weergegeven. Tim Gavel, Hannes Oppeel 38

39 Figuur 20: Effecten van het niet verwarmen van de kerk In de linkse grafiek van Figuur 20 wordt het lange termijneffect van berekende binnenlucht- en buitenluchttemperaturen vergeleken. In de figuur daarnaast is de dampdruk van het binnenklimaat vergeleken met deze van buiten. De 45 gradenlijn geeft de situatie weer waarbij de waarden binnen gelijk zijn aan de waarden buiten. Waarden boven deze lijn, in de linkerfiguur, geven aan dat het binnen warmer is dan buiten. Waarden eronder geven aan dat het kouder is dan buiten. Het betreft daggemiddelde waarden, waarvan als cluster van dagen is aangegeven of ze in de winter (*, donkerblauw), lente (, lichtgroen), zomer (, rood ) of herfst (O, lichtblauw) liggen. Het valt op dat de binnenluchttemperaturen in de winter over het algemeen wat hoger liggen dan de buitenluchttemperaturen. Dat heeft te maken met het vertragende effect van de dikke muren in combinatie met de vaak geringe ventilatie. Daardoor ijlt de binnenluchttemperatuur na op die van daarbuiten. In de lente levert dit kritische effecten op: de kerk is vanbinnen nog koud, terwijl zich buiten regelmatig warme perioden aandienen. De binnenoppervlaktetemperaturen kunnen dan lager zijn, of in de buurt liggen van het dauwpunt. Dit heeft condensatie op de koude delen tot gevolg, of leidt tenminste tot hoge relatieve vochtigheden in de nabijheid van de koude oppervlakken. Bij Figuur 21 is het effect van stationaire verwarming geïllustreerd. In dit voorbeeld is de primaire temperatuur op 15 C gesteld. In dit geval is de temperatuur binnen vanzelfsprekend vooral warmer dan buiten. Wat wel opvalt is dat het gebruik van een stationaire verwarming slechts een heel lichte stijging veroorzaakt in de binnendampdruk. Deze verhoging is dan waarschijnlijk te wijten aan desorptie van vocht uit wanden en plafond. Tim Gavel, Hannes Oppeel 39

40 Figuur 21: Effecten van het stationair verwarmen van kerk Wetgeving Er zijn reeds veel gevallen bekend waarbij door het onoordeelkundig gebruik van verwarming, in het bijzonder warmeluchtverwarmingen, ernstige schade is ontstaan aan het cultuurbezit van kerkgebouwen, voornamelijk schilderijen en orgels. In een omzendbrief van de Afdeling Monumenten en Landschappen van de Vlaamse gemeenschappen [25] wordt de wet- en regelgeving van België in herinnering gebracht die betrekking heeft op de goede instandhouding van monumenten, en op de schade die veroorzaakt wordt door verwarmingen of slechte klimatologische omstandigheden. Enkele wettelijke beperkingen worden in deze brief opgesomd: - Men mag de kerk niet te snel overmatig verwarmen voor vieringen. Een basisverwarming van bijvoorbeeld 10 tot 12 C is aangewezen. Voor kerkelijke diensten kan een trage bijverwarming genomen worden tot 15 C. - Voor concerten kan occasioneel en voor niet langer dan de duur van het concert een hogere opwarmingslimiet worden aanvaard van maximum 17 à 18 C, maar de opwarming mag nooit sneller dan 2 C per uur gebeuren. - De ideale en dus ook monumentvriendelijke vochtigheidssituatie van de lucht in een kerkgebouw bevindt zich tussen 55 en 70%. Kerkverwarmingen van om het even welk systeem, die op geregelde en permanente wijze 15 C overstijgen, brengen de relatieve vochtigheid van de lucht in de gevarenzone, zeker in de vorstperiodes. - Metingen hebben uitgewezen dat bij gebruik van verwarmingen het relatief vochtgehalte van lucht met bijna 2% daalt wanneer de temperatuur met 1 C stijgt en omgekeerd. Om die reden dienen extreme warmtepieken vermeden te worden. Een beheerst en verantwoord gebruik van kerkverwarming vergt ook dat niet onbeperkt op de comfortverwachting van de kerkgangers wordt ingespeeld. Met de nodige uitleg naar kerkgangers toe, zal het warmtecomfort tot op redelijke normen moeten worden begrensd [30]. Tim Gavel, Hannes Oppeel 40

41 De conservatie-eisen, vermeld in de omzendbrief hebben echter een grote impact op het energieverbruik van het verwarmingssysteem. In de brief spreekt men immers van een gematigde verwarming in het voorjaar en een verwarming die de kerk op een constante minimumtemperatuur houdt gedurende het hele stookseizoen om het risico op condensatie te beperken. Dit houdt in dat de kerk een groot deel van het jaar verwarmd moet worden. Als men echter te maken heeft met een kerk die minder frequent bezocht wordt, zoals de OLV-Hemelvaartkerk te Watervliet, heeft deze basistemperatuur weinig nut omdat de pieken in temperatuur en relatieve vochtigheid in deze kerken al minder vaak voorkomen dan in drukbezochte kerken. Deze regeling leidt bovendien tot zeer hoge stookkosten, terwijl de verwarming voor het grootste deel louter gebruikt wordt voor conservatiedoeleinden. Minder frequent bezochte kerken zullen dus eerder verwarmd moeten worden met niet-stationaire systemen, met een trage opwarmsnelheid (niet meer dan 2 C/h, maar het best 1 C/h) om grote fluctuaties te vermijden. De begrenzingen die beschreven worden in de omzendbrief van de temperatuur en de relatieve vochtigheid komen goed overeen met deze in de literatuur, alsook de opwarmsnelheid, alhoewel de begrenzing van 1 C/h vaker leidt tot betere resultaten betreffende conservatiedoeleinden. Stratificatie Veel kerken worden verwarmd door het inblazen van warme lucht. Deze systemen hebben tot doel een groot volume op te warmen op korte tijd. Bij luchtverwarming treedt echter thermische stratificatie veelvuldig op, dit wil zeggen dat de temperatuur verschilt in de verschillende luchtlagen. Een maat voor stratificatie van lucht is het Archimedesgetal [31]: Ar = g Δθ 0 D h T i u 0 2 (4) 5 Dh = 1,27 (n a b)² (5) met g = valversnelling [m/s²] θ 0 = temperatuurverschil binnenlucht inblaaslucht [K] D h = hydraulische diameter van het inblaasrooster [m] T i = binnenluchttemperatuur [K] u 0 = lucht inblaassnelheid [m/s] n = aantal inblaasroosters [-] a = breedte van het inblaasrooster [m] b = hoogte van het inblaasrooster [m] Een hoog Archimedesgetal impliceert een grote thermische stroom opwaarts aan een hoge temperatuur in combinatie met lage luchtsnelheden: de stroom zal snel stijgen tot het plafond. Een laag Archimedesgetal representeert een meer horizontale luchtstroom in de kerk waardoor de warme lucht minder snel zal stijgen naar het plafond. Hoe lager het Archimedesgetal, hoe efficiënter het verwarmingssysteem zal werken en hoe zuiniger het systeem zal zijn. Het Archimedesgetal beperken zal dus de temperatuurstratificatie doen dalen. Dit kan bereikt worden door het temperatuurverschil tussen buitenlucht en inblaaslucht ( θ 0 ) te beperken tot 25 C en de lucht inblaassnelheid te vergroten. De luchtinblaastemperatuur mag tevens volgens H. Knoll Tim Gavel, Hannes Oppeel 41

42 maximaal 25 C zijn [32]. Het verhogen van de luchtinblaassnelheid is nodig om een voldoende verwarmingscapaciteit te bereiken. Om de effecten van veranderende luchttemperatuur, de luchtsnelheid en de opwarmtijd te voorspellen, kan de dynamische luchtverwarming gemodelleerd worden in CDF: Computional Fluent Dynamics (zie verder) Figuur 22: Vergelijking van verschillende Archimedesnummers: Ar = 0.29 (linksboven), Ar = 0.17 (rechtsboven), Ar= 0.05 (linksonder), Ar = (rechtsonder) [1] Figuur 22 toont het effect van verschillende Archimedesgetallen tijdens een onderzoek van H.L. Schellen in de Waalse kerk in Delft. In de grafiek linksboven is de kerk verwarmd met een luchtverwarmingssysteem waarbij het Archimedesgetal 0,29 bedraagt. Na 20 minuten is er al zoveel warmte gestegen dat de temperatuur tegen het gewelf 32 C bedraagt. De temperatuur aan de grond waar de mensen zitten haalt 20 tot 24 C (afhankelijk de afstand tot het inblaasrooster). In de grafiek rechtsboven is het Archimedesgetal gereduceerd tot 0,17. De temperatuur aan het gewelf is bij deze waarde rond de 17 C, aan de vloer wordt slechts een temperatuur behaald van 10 C. De reductie van de Archimedesgetal is waarschijnlijk verwezenlijkt door de inblaastemperatuur te verlagen. Hierdoor is er minder sprake van thermische stratificatie, maar erg comfortabel kan de kerk niet gemaakt worden. Door een lage luchtinblaassnelheid ontstaat tevens een lokale zone waar lucht stijgt. In de grafiek linksonder is een Archimedesgetal van 0,05 gesimuleerd. De temperatuur aan het gewelf is rond 19 C, aan de grond 14 C. Hier wordt aangetoond dat, als de luchtinblaassnelheid hoog genoeg is, er na 20 minuten een uniformere temperatuurverdeling ontstaat over de gehele ruimte. In tegenstelling tot de vorige grafiek is de luchtinblaastemperatuur hoger, waardoor er tegen de vloer een comfortabelere temperatuur wordt gecreëerd. Tim Gavel, Hannes Oppeel 42

43 In de grafiek rechtsonder van Figuur 22 wordt de niet-isotherme luchtstroom afgebeeld voor verschillende Archimedesgetallen. Het is duidelijk dat voor een lagere waarde de luchtstroom horizontaler verloopt dan voor een hogere waarde. Voor het beperken van de thermische stratificatie worden soms plafondventilatoren (Figuur 23) gebruikt. Ventilatoren die naar beneden blazen onder het gewelf, doen echter niets af aan de thermische stratificatie erboven: het zuigende effect is namelijk verwaarloosbaar. De warme lucht blijft als het ware aan het gewelf 'plakken'. Alleen onder de ventilatoren is sprake van een betere menging. Wat dat betreft zou het beter zijn ze in de richting van het gewelf te laten blazen [31]. Figuur 23: Principe van plafondventilatoren: warme lucht stijgt en wordt door de ventilator terug omlaag gestuwd Soorten verwarmingssystemen Warmeluchtverwarming Algemeen Voordelen Energieverbruik: luchtverwarmingssystemen warmen de ruimte snel op. Op dit vlak zijn ze heel energie-efficiënt. Sturing: de sturing reageert op korte termijn. Behoud van kunstwerken: door luchtbehandeling is het mogelijk om schimmels te onderdrukken of te laten verdwijnen. Een goede filter kan tevens voorkomen dat er stof in hercirculatie terechtkomt. Ventilatie: een combinatie met ventilatie is in dit systeem relatief gemakkelijk. Algemeen: er is heel weinig ruimte nodig voor het systeem in de kerk. Nadelen Energieverbruik: de volledige kerk wordt verwarmd. Veel last van stratificatie, zodat dit systeem zeker niet het meest energie-efficiëntste is. Thermisch comfort: doordat de volledige kerk wordt verwarmd, worden de noodzakelijke plaatsen niet voldoende opgewarmd. Zonder secundair systeem kan geen comfortabele omgeving gemaakt worden. Afhankelijk van het Archimedesgetal kunnen wandinblaassystemen tot een zeer sterke stratificatie leiden ten gevolge van hoge inblaastemperaturen en luchtsnelheden (zie Figuur 24). Nietuniforme luchttemperaturen en luchtsnelheidsprofielen kunnen het gevolg zijn. De luchtinblaassystemen kunnen tot tocht leiden ten gevolge van hoge turbulentiegraden en luchtsnelheden nabij mensen. Hoge inblaassnelheden in vloeren kunnen leiden tot lokaal discomfort. Hoge luchtsnelheden en turbulenties kunnen bovendien tot stofcirculatie leiden. Tim Gavel, Hannes Oppeel 43

44 Behoud: doordat de binnenlucht snel opgewarmd wordt, kan dit leiden tot een val van relatieve vochtigheid, wat nefast is voor kunstwerken en het orgel. Figuur 24: Op de plattegronden is de plafondtemperatuur voor (links) en na (rechts) de warmeluchtverwarming 30 minuten heeft opgestaan. Het profiel rechts toont duidelijk de stratificatie [3] Goed gedistribueerd luchtinblaassysteem Een goed distributie- en inblaassysteem kan ervoor zorgen dat er een homogenere temperatuur in de kerk ontstaat. De combinatie van lage temperatuur en lage luchtsnelheid voorkomt sterke stratificatie en desorptie. Warmte kan verdeeld worden door luchtkokers in de vloer, door warmwaterleidingen in de muren of door ventilo-convectoren. Voordelen Comfort: door een goede verdeling, of een lokale zone waar mensen zitten zal het comfort van de kerkgangers gewaarborgd zijn. Nadelen Thermisch comfort: er wordt een lagere temperatuur ervaren door de lage luchtsnelheid. Ruimtebezetting: de luchtkokers in de vloer hebben grote diameters en lengtes, dat ertoe leidt dat enorme werken nodig zijn voor de plaatsing van de installatie. Om grote temperatuurverliezen te verkomen moeten deze leidingen tevens geïsoleerd zijn, wat het systeem extra duur maakt. Constructie: deze graafwerken mogen in sommige kerken niet uitgevoerd worden doordat de kerk beschermd is. Door de werken kunnen ondergrondse waardevolle archieven beschadigd worden. Ventilo-convectoren in de vloer zijn een alternatief. Maar deze toestellen zijn wel vatbaar voor stof. Filteren van de lucht is dus noodzakelijk. Algemeen: geluidsbehandeling van de ventilator kan nodig zijn. Niet-gedistribueerd luchtinblaassysteem Deze systemen bestaan uit één of twee verschillende inblaassystemen in de mu(u)r(en) of vloer, afhankelijk van de geometrie en dimensies van de kerk. De OLV-Hemelvaartkerk beschikt op dit moment over dit systeem waarbij de warme lucht ingeblazen worden vanuit het noord-transept. Voordelen De roosters zijn meestal zo geplaatst dat de afstand tussen inblaaszone en machine zo klein mogelijk is. Meestal worden de roosters geplaatst in de muur tussen machine en inblaaszone. Indien het goed ontworpen is, kan het leiden tot een uniforme luchttemperatuurverdeling. Een laag Archimedesnummer kan sterke stratificatie voorkomen. Nadelen Afhankelijk van het Archimedesnummer kunnen de muurroosters een hoge stratificatie Tim Gavel, Hannes Oppeel 44

45 teweegbrengen door een te hoge inblaastemperatuur of door te lage luchtsnelheden. Hierdoor ontstaan niet uniforme binnenluchttemperatuur- en luchtsnelheidsprofielen. Hogesnelheidinblaasroosters in vloeren creëren een lokaal discomfort. Door een hoge luchtsnelheid kunnen luchtpolluenten zoals stof in circulatie gebracht worden die neerslaat op koudere oppervlakken. De richting van de luchtstroom en de worplengte moet zo ontworpen worden dat het rechtstreeks aanblazen van objecten met warme lucht voorkomen wordt. Afhankelijk van de geluidsbehandeling van het systeem kan er geluidshinder ondervonden worden. Vloerverwarming Voordelen Ruimtebezetting: dit verwarmingssysteem heeft geen ruimtelijke impact. Thermisch comfort: door de hoge oppervlaktetemperatuur geeft het een goede voetcontactkwaliteit. Tevens resulteert het in een relatief hoge oppervlaktetemperatuur, ook door het aanstralen en opwarmen van de overige oppervlakken. Behoud: Door de stralingsfluxen warmen ook de muuroppervlaktes op, waardoor er minder kans is op condensatie en verlaagt de relatieve vochtigheid aan de oppervlakte. Nadelen Energieverbruik: de tijdsconstante van het systeem kan variëren van uren tot dagen, afhankelijk van de dikte en het soort materiaal dat het systeem bedekt. Om deze reden kan een stationair werkend systeem de enige oplossing zijn. Thermisch comfort: afhankelijk van hoe de lay-out van het verwarmingssysteem is en het verschil in stukken vloer kan het systeem leiden tot tocht met discomfort tot gevolg. Dit komt voornamelijk voor bij kerken die gedeeltelijk van vloerverwarming voorzien zijn. Behoud: luchtstromingen zorgen voor stofafzettingen op schilderijen, muren en plafond. Het reduceren van temperatuurverschillen gaan deze afzettingen tegen. Historisch: indien de vloer van de kerk een historische waarde heeft, is het misschien niet mogelijk om dit systeem te plaatsen. Hetzelfde geldt als onder de vloer belangrijke ruimtes zoals crypten of archieven gelegen zijn. Infraroodverwarming Voordelen Energieverbruik: infraroodverwarming zorgt voor een relatief hoog comfortniveau door de hoge thermische stralingsflux en minimale opwarming van lucht. Deze systemen zijn energie-efficiënt omdat ze slechts de delen opwarmen waar mensen zitten. De opwarmingstijden zijn ook heel snel. Algemeen: de installatie kost weinig geld in vergelijking met andere systemen. Nadelen Thermisch comfort: de hoofden van mensen wordt veel sterker opgewarmd dan voeten en benen, waardoor thermisch comfort niet gewaarborgd wordt. Behoud: de straling kan onderdelen van de kerk opwarmen zoals kolommen, wanden en kerkbanken. Dit zorgt voor een heel snelle uitdroging en thermische werking van de materialen. Indien gasbranders gebruikt worden, gaat dit gepaard met een wateruitstoot die condensatie tot gevolg heeft op oppervlaktes die niet opgewarmd worden. Algemeen: de verwarmingstoestellen en vooral de rode gloed kunnen afbreuk doen aan de monumentale en architecturale waarde van de kerk. Tim Gavel, Hannes Oppeel 45

46 Figuur 25: Een typische quartz halogeen straler. Een deel van de ruimtehoek heeft een snelle temperatuursstijging (20 C) in slechts enkele minuten. In deze zone is het niet mogelijk om thermisch comfort te bereiken, noch is het goed voor het behoud van kunstwerken [33]. Radiatorenverwarming Voordelen Plaatsing: radiatoren zijn een verwarmingssysteem dat relatief gemakkelijk te installeren is. Nadelen Dit verwarmingssysteem kan alleen maar gebruikt worden voor kleine kerken (<200 stoelen). In grotere kerken kan het leiden tot relatief grote convectiestromen. Ook kunnen de opwarmtijden oplopen. Ruimtebezetting: de radiatoren hebben een grote impact op het monumentale interieur. Lokale verwarming in kerkbanken Lokale verwarming in kerkbanken bestaat meestal uit (voet) verwarmingspijpen of stralingspanelen. Voordelen: Energieverbruik: deze systemen zijn energie-efficiënt omdat ze de verwarming direct richten op de mensen. Hierdoor wordt de benodigde verwarmingscapaciteit laag gehouden. Thermisch comfort: stralingspanelen kunnen de lage oppervlaktetemperaturen compenseren. Koude voeten kunnen worden voorkomen door de omgeving rond de voeten op te warmen. Nadelen Thermisch comfort: door lokaal opwarmen ontstaan er convectieve luchtstromingen in de kerkbanken. Dit leidt vaak tot tocht rond de benen van de mensen. Het Europees project: Friendly Heating [14] Tussen 2002 en 2005 is een onderzoek uitgevoerd in opdracht van Europa om een vriendelijk verwarmingssysteem te ontwikkelen. Het onderzoek richtte zich erop om zoveel mogelijk aan het thermisch comfort te voldoen, zonder grote relatieve vochtigheid en temperatuurfluctuaties teweeg te brengen. Friendly Heating focust op het verwarmen van de zone waar mensen zitten en laat het binnenklimaat zo weinig mogelijk veranderen. De oplossing verschilt wel met het eerder besproken verwarming-inkerkbankensysteem, dat meestal maar uit enkel een verwarmingselement bestaat dat zich bevindt onder of tussen de kerkbanken. Bij Friendly Heating worden verschillende elementen geplaatst. Tim Gavel, Hannes Oppeel 46

47 Figuur 26: De drie infraroodstralers op de zitbank: a. onder de voetsteun; b. onder het zitvlak; c. tegen de rugleuning om de handen te warmen [14] Computer modeling, simulaties en labo-onderzoek hebben uitgewezen dat lage-temperatuur stralingswarmte, tussen 40 en 70 C (zwarte stralers) de beste oplossing is om de warmte gelokaliseerd te houden. Figuur 27: voorbeeld van IR stralingsmatten van het merk Thermotex [34] Voordelen Energieverbruik: doordat het systeem heel lokaal een zone kan opwarmen, kan aangenomen worden dat het systeem erg energie-efficiënt is. Ook is het mogelijk om het systeem in verschillende stukken te verdelen. Hierdoor hoeft niet de volledige installatie aan te staan als er niet veel volk in de kerk zit. Enkel het stuk waar wel mensen zitten hoeft verwarmd te worden. Behoud: Friendly Heating gaat het microklimaat van de kerk niet veranderen. Daardoor ontstaan geen verschillen in relatieve vochtigheid of temperatuur bij de schilderijen zodat thermische en hygrische dilataties uitblijven. Impact: de verwarmingselementen kunnen worden ingebouwd in de kerkbanken. Hierdoor vormen ze geen storend element in het kerkinterieur. Tim Gavel, Hannes Oppeel 47

48 Figuur 28: Op de platte gronden is de plafondtemperatuur voor (links) en nadat (rechts) de warmeluchtverwarming 30 minuten heeft opgestaan. Duidelijk is te zien dat er quasi geen verschillen zijn. Op het profiel van de kerk rechts wordt aangetoond dat de warmte goed ter plaatse blijft [14] Nadelen Tocht: aangezien slechts een zone opgewarmd wordt, zullen tochtstromen ontstaan. Hoe sterk deze stromingen worden hangt af van de lay-out van de kerk. Interieur: een algemeen probleem met verwarmingsstroken op de zitbanken is dat ze schade kunnen veroorzaken aan de banken zelf, vanwege de temperatuurcycli. Het probleem is vooral relevant in het geval van kerkbanken met historische waarde. Indien nodig kan tussen de stroken en het hout nog een isolatielaag aangebracht worden zodat de temperatuur die het hout bereikt niet groter is dan 30 C (ongeveer de temperatuur die gegenereerd wordt als mensen op de banken zitten). Impact: het Friendly Heating systeem kan enkel geplaatst wordt in kerkbanken. Als de kerk stoelen heeft, moeten deze vervangen worden door banken. Op deze manier kan het wel een grote impact vormen op de ervaring van de kerk. Zitbanken zijn ook minder vrij qua organisatie dan stoelen. Tim Gavel, Hannes Oppeel 48

49 Samenvatting van de verschillende verwarmingssystemen Verwarmingssystemen Niet-gedistr. Goed gedistr. Warme lucht Vloer Infrarood Radiatoren Convectoren Lokale kerbank Friendly Heating Energieverbruik Opwarmtijd Verwarmingscapaciteit Lokaal verwarmen Nodig Produceerbaar Thermisch comfort Tocht Behoud Monumentale impact Kosten Stralingswarmte Stralingassymetrie Vloer-temperatuur Stratificatie Contaminatie RV-fluctuaties Condensatie Constructiewerk Esthetische impact Installatie In geval van een houten vloer 2 In geval van een laag Archimedesnummer 3 In geval van een hoog Archimedesnummer 4 In geval van luchtinfiltratie 5 In de buurt van de inblaasroosters 6 Boven de verwarmingstoestellen 7 Voor lange opwarmingstijden 8 Indien de straler direct op objecten gericht staat 9 ++ = laag condensatierisico 10 Zonder luchtextractie 11 Als de monumentale vloer wordt hersteld zoals ervoor 12 Indien de kerk al voorzien was van kerkbanken 13 Indien de kerk voorzien was van kerkstoelen Tabel 8: Samenvatting van voor en nadelen van de verschillende verwarmingssystemen. Gebaseerd op H.L. Schellen [1] en aangevuld. Tim Gavel, Hannes Oppeel 49

50 Soorten regelingen Regeling van temperatuur en vochtigheid heeft altijd aan de basis gelegen voor het conserveren van objecten. Dit komt omdat door slecht of ongecontroleerde regeling de voornaamste oorzaak is van schade aan objecten. Daarom worden hieronder een aantal veelgebruikte regelingstechnieken besproken. Hydrostatische verwarming Het principe van hydrostatische of conservatieverwarming is dat het verwarmingssysteem gecontroleerd wordt met een humidistat toestel. Met dit verwarmingssysteem wordt de relatieve vochtigheid van de binnenlucht constant gecontroleerd en aan de hand van de metingen wordt het systeem bijgeregeld. In een onderzoek van E. Neuheus en H.L. Schellen [35] is gebleken dat het principe toepasbaar is in kerken in de Lage Landen. Voordelen Behoud: aangezien er geen verschillen meer zijn in relatieve vochtigheid, is er geen gevaar voor hygrische dilatatie. Ook het ontstaan van schimmels wordt praktisch onmogelijk Nadelen Energie: het systeem zal de temperatuur aanpassen naargelang de luchtvochtigheid. Hierdoor zal het hele jaar door verwarmd moeten worden. Comfort: in de winter heerst algemeen een lage luchtvochtigheid, hierdoor zal het systeem de binnentemperatuur niet hoog laten worden. In de zomer daarentegen kan het nodig zijn om bij te verwarmen. Daardoor kan niet voldaan worden aan de comforteisen voor het gebruik van de kerk. Koppeling tussen recirculatie en ventilatie Luchtverwarmingssystemen zullen meestal binnenlucht recirculeren om de kerk te verwarmen: lucht wordt aangezogen, opgewarmd en terug uitgeblazen. Bij een koppeling naar ventilatie zal de ventilatie aanspringen indien de relatieve vochtigheid buiten lager is dan deze in het gebouw. De regeling kan uitgebreid worden zodanig dat de ventilatie aanspringt, ongeacht er verwarmd moet worden of niet. Zo kan op lange termijn de relatieve vochtigheid van de kerk verlaagd worden. Voordelen Behoud: aangezien de relatieve vochtigheid bij vochtige gebouwen verlaagd kan worden, kan dit de kans op schimmelgroei beperken. Nadelen Behoud: in vochtige klimaten zal de relatieve vochtigheid van de buitenlucht zelden of niet voldoende laag zijn om van het systeem gebruik te kunnen maken, waardoor de installatie van de regeling in dit geval niet zal opbrengen. Energieverbruik: het geregeld aanspringen van de ventilatie kan tot een stijging in het energieverbruik bijdragen. Het verwarmingssysteem kan ook een groter vermogen nodig hebben indien de kerk verwarmd wordt met buitenlucht. Conclusie In een niet-frequent gebruikte kerk, zoals de kerk van Watervliet, moet het klimaatsysteem in de eerste plaats afgestemd worden ten voordele van de conservatie van de kunstwerken en het interieur van de kerk. Dit kan gedaan worden door een gepaste regeling te ontwerpen voor het klimaatsysteem die het systeem optimaliseert aan de hand van de eigenschappen (gebruik, oppervlakte, volume, ) van de kerk zelf. Tim Gavel, Hannes Oppeel 50

51 Van de vele soorten verwarmingssystemen die de laatste decennia geïnstalleerd zijn in kerken, zijn er drie systemen die significant beter presteren dan de andere: - Goed gedistribueerde luchtverwarming d.m.v. kanalen of convectoren - Vloerverwarming - Friendly Heating Slechts de eerste twee systemen kunnen in de kerk van Watervliet worden toegepast aangezien het vervangen van de kerkstoelen door kerkbanken een enorme impact zou hebben op de ruimte en het gebruik van de kerk. Door de juiste positionering van de toevoeropeningen (in geval van luchtkanalen) of stations (in geval van convectoren), of door bepaalde zones wel of niet van vloerverwarming te voorzien, kan de conservatie van de kunstwerken verbeterd worden en tegelijk toch voldaan worden aan het thermisch comfort van de kerkgangers. In de simulaties zal dan ook de impact van de goed gedistribueerde luchtverwarming en de vloerverwarming getest worden op gebied van impact en energieverbruik. Daarenboven zal aan de hand van het goed gedistribueerde verwarmingssysteem getest worden of de hydrostatische regeling en de koppeling tussen recirculatie en ventilatie een mogelijke oplossing bieden om de conservatie van de kunstwerken en het kerkinterieur te bevorderen. Tim Gavel, Hannes Oppeel 51

52 Case-study: Watervliet De kerk Situering Watervliet bestond als dorp sinds het eind van de 12 e eeuw, en lag onder het gezag van de heren Van Praet van Brugge. In 1287 overstroomde het hele gebied, waardoor dit dorp en vele andere verdwenen zijn. Het heeft tot in 1497 geduurd eerdat het land terug herwonnen werd, in 1501 werd Watervliet opnieuw gesticht door Hieronymus Lauwerijn, schatbewaarder van Filips de Schone van Bourgondië. Gelegen aan de delta van Vlissingen en Brugge, verkreeg Lauwerijn het recht van Filips de Schone om de overstroomde gebieden te gaan herbedijken [36]. De stadsrechten verwierf hij in de 16 e eeuw, waarvan we de sporen terugvinden bij het gemeentehuis, dat door de Watervlietenaren nog steeds het stadhuis genoemd wordt. Daarnaast verkreeg hij ook het recht een haven te bouwen en deze uit te rusten met een kraan om de schepen te kunnen laden en lossen. Hij had de intentie in dit deel van het Westerscheldegbied een nieuw handelscentrum uit te bouwen. Door zijn vroege dood (1509) en door de verzanding van de doorgang naar het open water van de Braakman en de Schelde zijn deze plannen echter in duigen gevallen [37]. Figuur 29: Situering van Watervliet [38] De Onze-Lieve-Vrouw-Hemelvaartkerk te Watervliet werd bij de stichting van de stad gebouwd ter ere van de hemelvaart van Onze-Lieve-Vrouw. Opgevat als de hoofdkerk van de toekomstige stad Watervliet werd de kerk op schaal van een stad gebouwd en gedecoreerd. In 1974 is de kerk beschermd als monument, in 1986 is de dorpskom als dorpsgezicht geklasseerd [39]. De bouwgeschiedenis De bouw van de basilicale, laat-gotische kruiskerk startte in 1503 en werd de kerk in een zeer korte tijdspanne voltooid ( ± 1540). Sinds de start van de bouw is de binnenruimte van de kerk nooit verbouwd, wat zeer uitzonderlijk is voor kerken die in deze periode gebouwd zijn. Dit komt omdat de kerk ontworpen was voor een stad en dus nooit te klein geworden is voor de gemeenschap [37]. Van deze periode zijn slechts enkele maar wel zeer waardevolle artefacten overgebleven: - Drie 16 e eeuwse triptieken waaronder het Nood Gods Tim Gavel, Hannes Oppeel 52

53 - Een kazuifelensemble van De grafsteen van Lauwerijn ( 1509); opmerking: de grafsteen is grotendeels een reconstructie uit 1894 Na jaren van leegstand en verval op het einde 16 e eeuw door de opkomst van het protestantisme werd het interieur grondig aangepast. Dit was de periode van de katholieke reactie tegen het protestantisme, de contrareformatie. Het interieur werd vernieuwd in de barokke stijl om te vermijden dat de gelovigen zich zouden afkeren van de katholieke kerk. Het feit dat Watervliet zo dicht bij de Nederlandse grens ligt, heeft hier zeker een rol in gespeeld. Het nieuwe interieur omvatte: - Het barokke hoogaltaar - Het inkomportaal en orgel - Koorgestoelte en lambrisering - Een groot deel van de 17 e eeuwse schilderijencollectie Figuur 30: De Onze-Lieve-Vrouw-Hemelvaartkerk In de eerste helft van de 18 e eeuw werden de zijaltaren geplaatst. De meesterwerken uit deze periode zijn echter de preekstoel en een nieuw kazuifelensemble (1751). Pas in 1894 werd de neogotische toren aangebouwd. Hoewel het kunstpatrimonium de eeuwen grotendeels heeft doorstaan zonder inbeslagnames of vandalisme, werd het gebouw op het einde van de Tweede Wereldoorlog ernstig beschadigd tijdens gevechten aan het Leopoldkanaal. De kerktoren werd toen letterlijk het mikpunt van beschietingen Tim Gavel, Hannes Oppeel 53

54 [40]. De vernieling van de kerk en de beschadigingen aan het interieur waren zo omvangrijk dat het ruim dertig jaar heeft geduurd om alles volledig te herstellen. De laatste grote werken dateren van ±1980 toen de kerk een nieuw dak kreeg. In bijlage 1 zijn grondplannen en snedes van de kerk voorzien op schaal 1/250. Daarop zijn de kunstwerken (excl. kandelaars en kleine artefacten) weergegeven. Gebruik van de kerk De kerk behoort tot het dekenaat Eeklo. Door het steeds afnemende aantal kerkgangers is het economisch niet mogelijk om elke week in elke kerk van het dekenaat een viering te houden. Daarom wordt er in de kerk van Watervliet slechts om de twee weken een viering gegeven. De kerk wordt tijdens de week ook nog gebruikt om uitvaartliturgieën te houden. Onder leiding van vzw 'De Vrienden van Watervliet worden geregeld hoogstaande orgelconcerten gehouden op het historische orgel. Deze vzw organiseert deze concerten als deel van hun campagne voor het behoud, ontsluiting en bekendmaking van de geschiedenis, het erfgoed en het kunstpatrimonium van de Onze-Lieve-Vrouw-Hemelvaartkerk van Watervliet. Kunstwerken Schilderijen De meest waardevolle schilderijen die in de kerk te bezichtigen zijn: - Nood Gods door Meester van Frankfurt, omstreeks De Tenhemelopneming van Maria door Gaspar De Crayer, 17 e eeuw - Onze-Lieve-Vrouw met kind Jezus en de kleine Johannes in een bloemenkrans, Daniël Segers, 17 e eeuw - Drieluik met Taferelen uit het leven van St.-Sebastiaan, Joos de Lavel, Enkele landschappen toegeschreven aan Jacques d Arthois Figuur 31: Het Nood Gods, Meester van Frankfurt, omstreeks 1520 Tim Gavel, Hannes Oppeel 54

55 Het drieluik Nood Gods is het kroonjuweel van de kerk. Het is niet gesigneerd of gemonogrammeerd, noch gedateerd. Op stilistische gronden wordt het toegeschreven aan de Meester van Frankfurt of aan een kunstenaar die in zijn directe omgeving actief moet zijn geweest, die de noodnaam Meester van Watervliet heeft gekregen. Ondanks het gebrek aan een signatuur, kan één van de figuren op het middenpaneel, namelijk de man helemaal rechts, beschouwd worden als een zelfportret. Dit portret vertoont overeenkomsten met portretten in andere werken die aan de Meester van Frankfurt wordt toegeschreven [41]. Dit geeft tevens een meerwaarde aan het schilderij: voor een Vlaamse Primitief is het hoogst opmerkelijk dat er een zelfportret geschilderd werd. Ondanks het feit dat de oorsprong van het schilderij niet met zekerheid gekend is, is het sinds 2009 toch opgenomen in de topstukkenlijst van Belgisch erfgoed naast schilderijen van van Eyck en Rubens. Het schilderij stamt uit de scharnierperiode tussen de Vlaamse Primitieven (Jan van Eyck, Rogier van der Weyden) en de Barokke schilders (Pieter Paul Rubens, Jacob Jordaens). Uit deze overgangsperiode zijn, afgezien van Quentin Metsijs, minder kunstenaars bekend geworden, wat het schilderij een zekere cultuur-historische waarde geeft [42]. Net als andere schilderijen uit de topstukkenlijst kent het schilderij een hoge artistieke waarde: de kleuren en portretten zijn zeer realistisch en de details zijn haarfijn geschilderd. Aangezien het schilderij al ±400 jaar in de heeft het tevens een grote erfgoedwaarde. Uit de historische documenten blijkt dat de triptiek reeds in vroegere eeuwen diende hersteld te worden. In 1898 en opnieuw in 1954 werd het grondig onderzocht en gerestaureerd, de laatste maal door het KIK 1. Structurele schade aan het paneel en aan de lijst zoals barsten, open voegen, gaten en vervormingen werden behandeld. Verder werden ook overschilderingen en gedegradeerde vernissen verwijderd en de opstuwingen in de verflaag geconsolideerd [43]. Momenteel is het schilderij opnieuw aan restauratie toe. Hoogaltaar Tussen 1652 en 1654 werd het hoogaltaar gebeeldhouwd door Lucas Faydherbe. Deze vriend en leerling van Pieter Paul Rubens was een zeer gekend beeldhouwer en architect die in de omgeving van het Mechelse in bijna alle kerken beelden en/of altaren heeft gerealiseerd en hij heeft bovendien ook verschillende kerken gebouwd (bv. in Leliëndaal en Hanswijk). Het hoofdaltaar is een schoolvoorbeeld van wat de zwaar geladen barokke kunst tijdens de contrareformatie moest zijn. Het is opgebouwd als een portiekaltaar van witte getordeerde zuilen met Korintisch kapiteel. Bovenaan zit een Madonnabeeld geflankeerd door twee engelenbeelden. Het retabel (altaarstuk) is geschilderd door Gaspar De Crayer, een volgeling van Rubens. Het altaar is heeft dezelfde allure als hoofdaltaren uit grote kathedralen, door de kleinere dimensie van de kerk van Watervliet vormt het altaar hier een beter geheel met het gotische koor. Dit geslaagde samenspel van barok en gotiek komt waarschijnlijk door Faydherbes achtergrond als architect [40]. 1 Koninklijk Instituut voor het Kunstpatrimonium Tim Gavel, Hannes Oppeel 55

56 Figuur 32: Het hoofdaltaar van Lucas Faydherbe Orgel In 1643 bouwde de Brugse orgelmaker Boudewijn Ledou een nieuw orgelinstrument voor de kerk van Watervliet. De orgelkast vormt samen met het rugpositief (dat er een verkleind model van is) een bijzonder fraaie eenheid met doksaal en portaal. Het orgelbuffet is vervaardigd door de Lisseweegse houtsnijder Walram Rombout. Het doksaal en portaal zijn pas 6 jaar later vervaardigd door de houtsnijder Jacques Sauvage, afkomstig uit Gent. Toch sluiten beide delen heel fijn in elkaar zodanig dat het lijkt alsof ze in een keer zijn vervaardigd. Het Ledou-orgel is helaas niet aan vele wijzigingen ontkomen. In de kerkelijke archieven vindt men in de loop der tijd onder meer namen van Carl Lalo, Carl Teerlinck en Steven Billemos. In 1727 werd het instrument hersteld door J. Thomas Forceville, gevolgd door diverse vernieuwingen door L. Delhaye in In 1910 werd het orgel drastisch omgebouwd tot een romantisch geheel door de firma O. Reygaert uit Geraardsbergen. Door oorlogshandelingen was het Ledou-orgel in 1944 zodanig zwaar beschadigd, dat het niet meer bespeelbaar was. Nadat diverse restauratieplannen op niets waren uitgelopen, werd uiteindelijk onder leiding van adviseur professor Gabriël Verschraegen uit Gent de oude dispositie van Ledou als uitgangspunt genomen en het rugwerk in ere hersteld. In 1969 werd een nieuw neobarok instrument gebouwd door Orgelbouw Loncke [44]. Vanwege de verheven locatie van het orgel en de vorm en soberheid van de kerk, heeft de kerk een zeer goede akoestiek. Door het vochtige klimaat dat momenteel in de kerk heerst, is het echter noodzakelijk dat het orgel jaarlijks wordt gestemd om de orgelconcerten te kunnen laten doorgaan. Tim Gavel, Hannes Oppeel 56

57 Figuur 33: Het orgel en inkomportaal van de OLV-Hemelvaartkerk te Watervliet Koorgestoelte Het koorgestoelte (1643) is eveneens van de hand van de houtsnijder Jacques Sauvage. Samen met het koorgestoelte maakte Jacques Sauvage een ganse lambrisering uit houtsnijwerk die rondom het schip en kooromgang werd geplaatst. Tijdens een restoratie in ca werd de lambrisering uit de kerk verwijderd en vervangen door marmeren wandplaten. Er wordt vermoed dat de reden hiervoor was dat de lambrisering begon te rotten of te veel last had van schimmels door opstijgend vocht langs de buitenmuren [42]. Preekstoel De preekstoel (1726) is van de hand van Hendrik Pulinx, een befaamd beeldhouwer uit Brugge. De preekstoel beeldt het ogenblik van de dag des oordeel uit wanneer de engelen op hun bazuinen blazen om de doden uit hun graf op te laten staan. Onder de preekstoel zit de heilige Hieronymus, afgebeeld met een leeuw. Eigenaardig is dat de preekstoel links in de kerk staat, terwijl dit doorgaans rechts is. Dit heeft voor gevolg dat de Heilige Hiëronymus en de uitverkoren gelukzaligen naar het Westen kijken (de kant van de duisternis, de ondergang) en de verdoemden naar het Oosten (de kant van het licht, van Jeruzalem). Dit staat haaks op de traditionele voorstellingswijze van de christelijke iconografie. De kans dat dit een fout is van Pulinx, is erg klein want zijn werk werd vooraf in de Hallen van Brugge gejureerd op het feit of het wel beantwoordde aan de opdracht (contractvoorwaarden) en aan de artistieke maatstaven van de gilde van de houtsnijders. Hieruit kan afgeleid worden dat het meubel Tim Gavel, Hannes Oppeel 57

58 hoogstwaarschijnlijk bedoeld was om aan de rechterkant geplaatst te worden, maar het mogelijks vanwege stabiliteitsproblemen aan de linkerkant van het schip is gezet [41]. Figuur 34: de preekstoel in de OLV-Hemelvaartkerk te Watervliet, Hendrik Pulinx Huidig verwarmingssysteem De OLV-Hemelvaartkerk te Watervliet wordt vandaag de dag opgewarmd door een nietgedistribueerd lucht inblaassysteem en kent bijgevolg de voor- en nadelen zoals besproken in Verwarming in kerken. Het systeem is geïnstalleerd in een stooklokaal, dat speciaal voor die functie aan de kerk is aangebouwd. Fabrikant Wanson S.A. Type toestel THERMOBLOC Installatiejaar 1954 Vermogen 378 kw Energiedrager Stookolie Tabel 9: Gegevens van de huidige installatie Figuur 35: Het huidig verwarmingssysteem Tim Gavel, Hannes Oppeel 58

59 Als de verwarming aanstaat, wordt lucht aangezogen vanuit de zijbeuk, ter hoogte van de preekstoel, vervolgens opgewarmd en tenslotte opnieuw uitgeblazen in het noordtransept door het bovenste rooster. Het onderste rooster wordt niet meer gebruikt. In het transept hangt een thermostaat waarmee het systeem kan geregeld worden. Figuur 36: Luchttoevoer en -afvoer van het verwarmingssysteem Schadegevallen in de kerk Niet alle schadegevallen aan het interieur of het gebouw zelf zijn het gevolg van het heersende klimaat of het verwarmingssysteem in de kerk. Ook door slecht onderhoud heeft de kerk doorheen de jaren geleden: bij het vernieuwen van het dak heeft de kerk letterlijk een winter zonder dak doorgebracht, met heel wat regenschade tot gevolg. Een verstopte regenpijp heeft er bovendien voor gezorgd dat in het zuidtransept stukken pleister van de muur gedrukt zijn door vochtdiffusie. Hoewel de verstopte regenpijp gerepareerd is, is het onderhoud van de regenpijpen niet ideaal zoals te zien is in Figuur 37. Ook andere regenpijpen bevinden zich in een twijfelachtige toestand. Figuur 37: regenpijp aan het zuidtransept Figuur 38: Close-up van de zuidwesthoek van het zuidtransept Tim Gavel, Hannes Oppeel 59

60 Op heleboel plaatsen in de kerk zijn sporen van opstijgend vocht terug te vinden: voornamelijk waard de buitenmuren en de kolommen in contact met de grond staan, maar ook hogerop boven de lambrisering waar pleister van de muren schilfert door de vochtige ondergrond (Figuur 39). Dit vochtprobleem moet de kerk al lang teisteren, want hoogstwaarschijnlijk werd hierdoor de houten lambrisering van Jacques Sauvage weggehaald. Er zijn zoutuitbloeiingen te zien, ten gevolge van het hoge zoutgehalte van het grondwater, door de nabijheid van de zee (Figuur 40). Figuur 39: Afbladerend verf en pleister boven de lambrisering Figuur 40: Schade door opstijgend vocht Aan beide zijden van het inkomportaal zijn in het houtsnijwerk offerblokken ingewerkt. Deze zijn bevestigd aan twee van de vier houten kolommen waar het doksaal op draagt. Deze staan rechtstreeks in contact met de grond en zijn langzaamaan aan hun basis aan het verteren. Onder het offerblok is het mogelijk om de vochtige grond te voelen. Tim Gavel, Hannes Oppeel 60

61 Figuur 41: het offerblok Wanneer de verwarming wordt aangezet, komt er redelijk wat vocht vrij uit het kerkinterieur en de wanden en blijft in de kerk onder de vorm van damp. Condensatie op onder andere de glas-inloodramen is hierdoor niet ondenkbaar waardoor deze allemaal verroest zijn. Op Figuur 42 is een close-up te zien van het raam in het zuidtransept. Dit is echter niet het enige raam met roestkenmerken, alle glas-in-loodramen van de kerk bevinden zich in deze toestand. Figuur 42: Close-up van een glas-in-lood raam Zoals besproken in de literatuurstudie is het schadekenmerk van een slecht klimaat voor paneelschilderijen de barsten in de verf- en onderlagen, volgens het typische craquelépatroon. Op Figuur 43 zijn duidelijk de barsten waar te nemen. Hier en daar zijn er zelfs stukjes verf van het paneel afgevallen. Dit schadefenomeen kan bij alle drie de paneelschilderijen in de OLV- Hemelvaartkerk van Watervliet waargenomen worden. Tim Gavel, Hannes Oppeel 61

62 Figuur 43: Barsten in verf- en onderlagen van het Nood Gods Bij het Onze-Lieve-Vrouwtriptiek kan duidelijk blaasvorming van de verflaag waarnemen gezien worden, vooral in de retouches van een vorige restauratie (Figuur 44). Dit schilderij hangt net naast het afvoerrooster van het verwarmingssysteem, en is zeer onderhevig aan de fluctuaties in temperatuur en relatieve vochtigheid. De barsten in de verf ter hoogte van de voeg tussen de verschillende panelen en het blazen van de verf zijn daar duidelijke tekenen van. Figuur 44: Blaasvorming in de verflagen van paneelschilderijen Het schilderij De Opdracht van Maria in de Tempel, het retabel in het noordtransept (Figuur 45), hangt ook duidelijk op een verkeerde plek, namelijk recht tegenover het inblaasrooster van de huidige HVAC-installatie. Hierdoor worden stof- en roetdeeltjes rechtstreeks op het schilderij geblazen. Na al die jaren is het effect hiervan duidelijk te zien op het schilderij: het is een heel donker, bijna zwart schilderij geworden. Tim Gavel, Hannes Oppeel 62

63 Figuur 45: Het schilderij boven het altaar in het noordtransept De orgelornamentering en de preekstoel bestaan uit massief houten sculpturen. Op sommige onderdelen (bijvoorbeeld op Figuur 46) ervan zijn barsten te zien die ontstaan zijn ten gevolge van te grote inwendige spanningen bij grote relatieve vochtigheidsfluctuaties. Figuur 46: Detail van het orgel Ondanks het vochtige binnenklimaat in de OLV-Hemelvaartkerk zijn er slechts op een paar plaatsen schimmels aanwezig in de kerk. Er zijn actieve schimmels op te merken op: - De bovenkant van beide zijluiken van het Nood Gods - Rond de trede van het zuidelijk koorgestoelte en in de kisten van de achterzijde - Tussen de ornamenten van de communiebanken - Het hout van de biechtstoel vertoont algemeen een verkleuring door schimmels (Figuur 47) - De onderkant van het doksaal vanwege het opstijgend vocht, en in de hoogte op stoffige plaatsen Tim Gavel, Hannes Oppeel 63

64 Figuur 47: Close-up van schimmel op de preekstoel Er ontstaat op deze manier duidelijk een patroon: op plaatsen waar het stof blijft liggen en het matig geventileerd word, zijn schimmels op te merken. Deze stoffige bodems zijn dan ook perfecte ondergronden voor het kiemen en groeien van de schimmels. In het geval van de preekstoel is het waarschijnlijk de boenwas, die voor een goede kiemondergrond zorgt. Tim Gavel, Hannes Oppeel 64

65 Metingen in de kerk Inleiding Het klimaat in de kerk is gedurende 13 maanden op verschillende plaatsen opgemeten met behulp van meetloggers. Gedurende de periode 6 en 29 maart 2012 is bijkomend de stratificatie ter hoogte van de viering opgemeten. Boven het altaar werden 10 loggers op een onderlinge afstand van 1,5 meter van elkaar opgehangen. De metingen moeten een idee geven van het klimaat van de kerk en de impact van het huidige verwarmingssysteem op comfort en conservatie. Om het binnenklimaat met het buitenklimaat te kunnen vergelijken werd een weerstation aan de noordkant van het stooklokaal bevestigd. Om een vergelijking te kunnen maken tussen het binnen- en buitenklimaat is een weerstation aan de noordoostkant van het stooklokaal bevestigd. Loggers Type loggers De loggers die permanent in de kerk aanwezig zijn, zijn van het type HOBO ZW Series Data Nodes. Deze registreren temperatuur en relatieve vochtigheden op een vooraf ingestelde tijdsbasis. Vervolgens verzenden ze draadloos de data door naar een centrale computer via een Receiver. Met de gepaste software op de computer is het mogelijk om de data uit te lezen en te analyseren. Deze Data Nodes zijn accuraat tot ±0,21 C en ±2,5% RV. De loggers die gebruikt zijn om de stratificatie boven de viering te meten zijn HOBO USB stand-alone Data Loggers. Net als de Data Nodes zijn deze ingesteld om de temperatuur en relatieve vochtigheid te meten op een tijdsbasis van 10 minuten. Deze loggers zijn niet verbonden met een centrale computer en moeten manueel elk apart uitgelezen worden. Ze zijn iets minder accuraat als de Data Nodes, met een nauwkeurigheid van ±0,4 C en ±3,5% RV. Tenslotte is ook nog een HOBO Weerstation gebruikt om de buitentemperatuur, relatieve vochtigheid en hoeveelheid neerslag te meten. Het weerstation is opgebouwd uit drie onderdelen: - HOBO Micro Station Data Logger - HOBO Temp/RH Smart Sensor - HOBO Rain Gauge Smart Sensor Op deze manier is het mogelijk om, net als binnen de temperatuur en relatieve vochtigheid van de lucht te registreren met een nauwkeurigheid van ±0,2 C en ±2,5% RV. Met het derde onderdeel, namelijk de Rain Gauge Smart Sensor is het daarenboven mogelijk om de neerslaghoeveelheid vast te leggen. Dit gebeurt tot op 1% nauwkeurig. Door technische defecten aan het weerstation, kon geen continue info verkregen worden en zijn de grafieken gebaseerd op weerdata van een weerstation in Oostburg [45]. Dit ligt slechts op 10 km van Watervliet en is daardoor bruikbaar als referentie. In bijlage 3 is een vergelijking gemaakt tussen de weerdata in Watervliet en Oostburg. Het gebruikte weerstation in Oostburg is een Davis Vantage Pro 2. Het weerstation registreert buitentemperatuur, relatieve vochtigheid, neerslag, windsnelheid en richting. De nauwkeurigheid van dit station is ±0,5 C en ±3% RV en is net als het station in Watervliet ingesteld op een tijdsbasis van 10 minuten. Tim Gavel, Hannes Oppeel 65

66 Aanvulling van de meetdata De loggers meten enkel temperatuur en relatieve vochtigheden op, door middel van deze gegevens worden de dampdruk en absolute vochtigheid berekend. De dampdruk wordt bekomen door: p v = φ 100. p sat (7) p sat = exp 65, ,27 5,976. ln( 273,15 + θ ) (8) 273,15+ θ Met p v = dampdruk [Pa] ϕ = relatieve vochtigheid [%] p sat = verzadigingsdampdruk [Pa] θ = temperatuur [ C] De formule om de absolute vochtigheid te berekenen: AV = φ 100. A. e m.θ θn+ θ (9) Met AV = absolute vochtigheid [g/kg] ϕ = relatieve vochtigheid [%] A = m = θ = temperatuur [ C] θ n = 243,12 C Plaatsing van de loggers In totaal werden 12 loggers geplaatst in verschillende zones in de kerk: aan het toevoerrooster, aan het schilderij, in het schip, in het koor en onder het orgel. Op Figuur 48 zijn de locaties van alle loggers aangeduid. - Toevoer: op 3m hoogte (toevoer 3m [1]), vlak voor het onderste uitblaasrooster (toevoer 1m [2]) en tegenover de uitblaas op het altaar (toevoer rechtover [3]). - Aan het Nood Gods: links achter het schilderij (schilderij links [4]), in het midden op een tiental cm voor het schilderij (schilderij midden [5]), aan de rechterkant voor het schilderij (schilderij rechts [6]). - Schip: aan een kolom aan de rechterzijbeuk (kerk midden [7]) en op de preekstoel (preekstoel [8]). - Onder het orgel: in de grote inkomsas (inkomsas [9]). - Onder het altaar in de viering, op de grond (vloer [10]). - In het koor bij de zuidoost kolom van de viering, op de grond (kerk priester [11]). - Aan het einde van de kerk bij het obsternakel (obsternakel [12]). De loggers zijn geplaatst op een hoogte tussen 1,5 en 1,7m boven de grond. Slechts enkele wijken hiervan af: toevoer 3m, toevoer 1m, preekstoel op 2,5m hoogte, vloer en kerk priester, waarbij de laatste twee loggers liggen op de grond liggen. Tim Gavel, Hannes Oppeel 66

67 Figuur 48: Plaatsing van de loggers Klimaat van de kerk Buitenklimaat Het is nodig om het buitenklimaat kort te analyseren gedurende de periode waarin de metingen in de kerk gehouden zijn, om na te gaan of de gemeten waarden geschikt zijn om te gebruiken als absolute conclusie. In onderstaande tabel zijn de voornaamste parameters van het klimaat samengevat per maand [45]. Hierin staat L voor laag en H voor hoog ten opzichte van het gemiddelde. Jul Aug Sep Okt Nov Dec Jan Feb Maa Apr Mei Jun Gem. temp. UL N AH N AH UH N ZAL ZAH AL N N Gem. AV ZUL N N N AL N N ZAL N N N N Gem. RV N N N ZUL N N AL N AL N N AH Neerslagtotaal N AH N N ZUL ZAH N N N AH N AH Zonneschijnduur AL ZAL N UH UH N N N ZAH N N N Gem. windsnelh. N N N N N UH N N UL UH N AH Met: Tabel 10: Samenvatting van de belangrijkste parameters van het buitenklimaat van juli 2011 tot april 2012 [45] Afkorting Abnormaliteit Fenomeen bereikt of overtroffen gemiddeld één keer om de N Normaal - A Abnormaal 6 jaar ZA Zeer abnormaal 10 jaar U Uitzonderlijk 30 jaar ZU Zeer uitzonderlijk 100 jaar Tabel 11: Definities van de graad van abnormaliteit bij Tabel 10 Tim Gavel, Hannes Oppeel 67

68 In Tabel 10 worden de parameters over het algemeen als normaal beschreven. Toch zijn er verscheidene uitzonderingen in terug te vinden, maar deze zijn verwaarloosbaar aangezien er elk jaar abnormale of uitzonderlijke weersomstandigheden kunnen voorkomen. Toch moet opgemerkt worden dat de absolute en relatieve vochtigheid eerder aan de lage kant ligt over de ganse periode. Dit kan ervoor zorgen dat de metingen die uitgevoerd zijn in de kerk een iets gunstiger beeld geven i.v.m. de vochtigheid dan tijdens een andere periode. Binnenklimaat Zoals reeds aangehaald in de literatuurstudie volgen uit de analyse van de temperatuur, absolute en relatieve vochtigheid van de kerk typische fenomenen. In deze paragraaf zijn deze fenomenen aangetoond met de data van de logger kerk midden [7]. De plaatsing van de logger, namelijk centraal en op een hoogte van 1,7m, geeft een algemeen beeld weer van de temperatuur, absolute en relatieve vochtigheid van de lucht in de kerk. Figuur 49: Temperatuursverloop op basis van daggemiddelde waarden van 1 juli 2011 tot 27 juni 2012 Op Figuur 49 wordt het temperatuursverloop van het begin van onze metingen, 1 juli 2011, tot het einde van de metingen, 27 juni 2012, uitgezet. De dagelijkse uitmiddeling is heel duidelijk te merken in de grafiek: terwijl de buitentemperatuur dagfluctuaties kent tussen de 2 à 10 C, worden deze uitgemiddeld door de warmtecapaciteit van de kerk naar fluctuaties van maximum 2 C (Figuur 50). Figuur 50: Het verschil van de maximale en minimale temperatuur in de kerk en het buitenklimaat Tim Gavel, Hannes Oppeel 68

69 De pieken bij de temperatuurfluctuaties in de kerk, zichtbaar in Figuur 50, zijn te wijten aan het verwarmen van de kerk. Door de verwarming kunnen temperatuurfluctuaties tot 12,5 C in het schip ontstaan, binnen een tijdsinterval van 2,5 à 3 uur. Als de verwarming buiten beschouwing wordt gelaten, zijn de dagelijkse fluctuaties zo goed als verwaarloosbaar. Naast het dagelijks dempingseffect is ook een seizoensuitmiddeling te zien in Figuur 49: wanneer de buitentemperatuur geleidelijk afneemt, zakt de binnentemperatuur van de kerk minder snel. In de winterperiode is het duidelijk warmer in de kerk dan de buiten. Wanneer tenslotte de buitentemperatuur vanaf eind februari opnieuw begint te stijgen, gaat de binnentemperatuur van de kerk niet zo snel omhoog. Dit komt door de grote warmtecapaciteit van de kerk. Bij Figuur 49 moet overigens opgemerkt worden dat de kerk, omwille van de zeer abnormale vriesperiode van 1 tot 11 februari 2012, verwarmd is geweest op een primaire temperatuur van 5 C. Deze periode is duidelijk waar te nemen in de grafiek. Net als bij de temperatuur is ook bij de absolute vochtigheid een dagelijkse attenuatie waar te nemen (Figuur 51). Er kan niet gesproken worden van een seizoensattentuatie, noch van een dagelijkse attenuatie. Het is meer een algemene uitmiddeling in de tijd: als de absolute vochtigheid veel stijgt of daalt, en dit over zeer korte tijd ( 1 dag), heeft de kerk enkele dagen de tijd nodig om tot dezelfde dampdruk te komen. Dit zie je duidelijk in de grafiek in de periode eind september en begin november. De dagelijkse neerslag heeft echter geen directe invloed op fluctuaties in het binnenklimaat: zelfs wanneer het geregend heeft, blijft het verloop van de absolute vochtigheid van de binnenlucht deze van de buitenlucht volgen. Hieruit kan worden afgeleid dat er geen grote impact is van regendoorslag op de absolute vochtigheid van de kerk. Figuur 51: Verloop van absolute vochtigheid op basis van daggemiddelde waarden van 1 juli 2011 tot 27 juni 2012, met als aanvulling de gevallen neerslag per dag Op Figuur 52 worden de dagelijkse fluctuaties van absolute vochtigheid weergegeven. De absolute vochtigheid is opmerkelijk minder stabiel is dan de temperatuur (Figuur 50): dagelijkse fluctuaties variëren van 0,11 g/kg tot 5,19 g/kg. De grootste veranderingen in absolute vochtigheid komen overeen met de dagen dat de verwarming heeft opgestaan. Dit kan verklaard worden door de grote Tim Gavel, Hannes Oppeel 69

70 hoeveelheid vocht die verdampt uit het interieur, de muren en de kolommen wanneer de binnenluchttemperatuur toeneemt. Figuur 52: Het verschil van de maximale en minimale absolute vochtigheid in de kerk en het buitenklimaat Wordt het temperatuurverloop en het absolute vochtigheidsverloop gecombineerd, dan wordt het relatieve vochtigheidsprofiel van de kerk bekomen (Figuur 53). De relatieve vochtigheid schommelt rond 73,0 ± 8,4% waardoor de kerk als heel vochtig kan beschreven worden. De hoge vochtigheid van de kerk is dan ook hoogst waarschijnlijk de oorzaak van de schadefenomenen en de schimmelgroei die opgemerkt kunnen worden (Figuur 39 - Figuur 47) Gedurende de periode in februari waarin de kerk op een primaire temperatuur van 5 C werd verwarmd, bereikt de relatieve vochtigheid van de lucht zeer lage waarden. Aangezien deze lage relatieve vochtigheid gedurende 11 dagen aanhield, kon het kerkinterieur zich redelijk aanpassen aan deze lage waarden (cfr. responstijd van objecten). Hierdoor kunnen grote hygrische spanningen optreden die kunnen leiden tot plastische vervormingen. De negatieve piek die volgt op de stationaire periode is accidenteel: de verwarming is op 11 februari voor een viering aangezet en pas afgezet op 12 februari. Ten gevolge daarvan bereikte de relatieve vochtigheid een absoluut dieptepunt: omstreeks 9:20u was de gemeten waarde voor relatieve vochtigheid 34,8%. Hoewel dit een eenmalige vergetelheid was, rijst de vraag of een automatisch verwarmingssysteem geen oplossing kan zijn voor dergelijke fouten in de toekomst. Figuur 53: Verloop van relatieve vochtigheid op basis van daggemiddelde waarden van 1 juli 2011 tot 27 juni 2012 Tim Gavel, Hannes Oppeel 70

71 Net als bij de temperatuur zijn de dagelijkse fluctuaties in relatieve vochtigheid klein. Ook hier is het duidelijk de verwarming die de grootste veranderingen teweegbrengt. Het grootst waargenomen verschil bedraagt 36,2% RV. Figuur 54: Het verschil van de maximale en minimale absolute vochtigheid in de kerk en het buitenklimaat Op Figuur 55 is een cumulatieve distributiefunctie van de relatieve vochtigheid getekend. Hierop is te zien dat voor 96% van de tijd (346 van de 361 gemeten dagen) de relatieve vochtigheid boven de 55% zit en 40% van de tijd (144 van de 361 gemeten dagen) boven de 75%. Hierbij wordt nogmaals de hoge vochtigheid van de kerk aangetoond. Figuur 55: Een cumulatieve distributie functie van de relatieve vochtigheid op basis van daggemiddelde waarden in de kerk Invloed buitenklimaat op het klimaat van de kerk Gebouwen kunnen onderverdeeld worden in verschillende klassen op basis van interne vochtbronnen. Dit wordt vooral gebruikt bij toepassingen van vochtbeheersing in constructies. Deze dampdrukken zijn een maat voor de vochtbelasting van de binnenlucht voor eventuele vochtproblemen in de gebouwschil. De vochtbelasting van de binnenlucht wordt uitgedrukt door de binnenklimaatklasse van het gebouw [46]. De grenzen tussen de vier verschillende klassen worden gedefinieerd op basis van een rekenkundige analyse van inwendige condensatie via diffusie van waterdamp. Voor praktisch gebruik werden deze theoretische klassen toegewezen aan bepaalde Tim Gavel, Hannes Oppeel 71

72 gebouwtypes en functies, door vergelijking met binnenklimaatmetingen in verschillende gebouwen. De binnenklimaatklasse 1 staat voor gebouwen waar de condensatiepotentiaal van de binnenlucht zo klein is, dat fysisch geen inwendige condensatie door diffusie kan optreden. Binnenklimaatklasse 4 staat voor gebouwen waar zonder aangepaste maatregelen jaarlijks resulterende vochtopstapeling in alle gebouwen te verwachten is. Tabel 12 geeft een overzicht van de indeling van de verschillende binnenklimaatklassen. De grenzen tussen de klassen worden begroot op basis van de jaargemiddelde dampdruk van de binnenlucht, of op basis van het weekgemiddeld dampdrukverschil tussen binnen- en buitenlucht. Deze laatste relatie is vaak handig om bestaande gebouwen bij een bepaald binnenklimaat in te delen door middel van metingen. BKK p i (Pa) 1 p i p e (Pa)² Beschrijving Functie θ e Zeer lage dampproductie loods, werkplaats, sporthal θ e Kleine dampproductie grote woning, kantoor, restaurant, school θ e Matige dampproductie of kleine woning, flats, ziekenhuis beperkte ventilatie 4 > θ e Grote dampproductie zwembad, wasplaats 1 Jaargemiddelde waarde 2 Weekgemiddelde meetwaarden Tabel 12: Binnenklimaatklassen In Figuur 56 wordt de meetdata weergegeven in weekgemiddelden. De waarden liggen quasi allemaal binnen klimaatklasse 1 en 2. Deze grafiek toont aan dat er in de kerk een lage vochtbelasting is. Wat logisch is aangezien de bezetting minimaal is, waardoor er weinig extra vocht wordt geproduceerd in de kerk. Figuur 56: Bepalen van de binnenklimaatklasse van de OLV-Hemelvaartkerk op basis van weekgemiddelde waarden Om de relatie na te gaan tussen het binnen- en buitenklimaat worden de temperaturen en absolute vochtigheden uitgezet in de volgende grafieken. Deze zijn gebaseerd op Figuur 20 en Figuur 21 uit het werk van H.L. Schellen. De zwarte lijn in de grafieken geeft de gelijke waarde in de x-as en de y-as weer. Het was te verwachten dat de grafieken niet veel zouden afwijken van deze uit de literatuurstudie. Tim Gavel, Hannes Oppeel 72

73 Figuur 57: Correlatie tussen buiten- en binnenklimaat op basis van daggemiddelde waarden Net als in het onderzoek van H.L. Schellen is de absolute vochtigheid binnen en buiten gelijklopend, dit zie je doordat de punten allemaal rond de 45 lijn liggen op de rechtse grafiek. Bij de temperatuur is dit niet het geval: de temperatuur in de kerk is overwegend warmer dan buiten, de punten liggen bijna allemaal boven de 45 lijn. De stationaire verwarming op 5 C is duidelijk waar te nemen in de linkergrafiek (cfr. Figuur 21). Als conclusie kan gesteld worden dat er quasi geen vochtproductie is in de kerk zelf. Het opstijgend vocht is dus geen significante vochtbron. Aangezien de kerk een groot ventilatievoud kent door al de spleten en kieren in de gebouwschil, heeft het vocht dat door diffusie op regenachtige dagen door de massieve wanden binnendringt eveneens geen kans om de dampdrukken significant te doen stijgen. Dit komt overeen met de bevindingen op Figuur 51. Type verwarmingsperiodes In de kerk van Watervliet zijn drie type verwarmingsperiodes te onderscheiden: - De gewone zondagmis - Een uitvaartdienst - Een orgelconcert De eerste twee lijken qua temperatuurprofiel en vochtigheidsprofiel sterk op elkaar, maar bij een uitvaartdienst is er geen vast uur wanneer het begint of eindigt. Dit in tegenstelling tot de zondagsmis die steeds om 10u begint en eindigt rond 11.30u. Het orgelconcert verschilt met de gewone misvieringen doordat de kerk al enkele uren voor het concert wordt opgewarmd en tijdens het concert op temperatuur wordt gehouden. Tim Gavel, Hannes Oppeel 73

74 Gewone zondagmis Figuur 58: Temperatuursverloop op basis van metingen om de 10 minuten op 20 november 2011 Figuur 59: Verloop van absolute vochtigheid op basis van metingen om de 10 minuten op 20 november 2011 Figuur 60: Verloop van relatieve vochtigheid op basis van metingen om de 10 minuten op 20 november 2011 Tim Gavel, Hannes Oppeel 74

75 Onderstaande figuren geven de temperatuur, absolute en relatieve vochtigheid weer op 20 november De piek van de misviering is heel duidelijk te zien. Het huidig verwarmingssysteem warmt de binnenlucht op en blaast het opnieuw de kerk in. Er wordt duidelijk een stijging van de absolute vochtigheid waargenomen. De kerkbezoekers hebben een aandeel in deze stijging, toch zal dit maar een fractie zijn van de waargenomen stijging. De stijging zal voornamelijk veroorzaakt worden door het verdampen van het vocht dat door het hout en pleister van de wanden is geabsorbeerd. Dit wordt bevestigd als er gekeken wordt naar de hoeveelheid vocht die van de preekstoel vrijkomt. In de preekstoel kan een grote hoeveelheid vocht worden opgeslagen, deze zone ondergaat dan ook een grote temperatuurstijging. Het verdampen van het vocht heeft te maken met het feit dat hout altijd streeft om de EMC-waarde te bereiken. Na de misviering zal het verdampte vocht nog enkele uren in de lucht blijven hangen, tot het opnieuw wordt geabsorbeerd door het kerkinterieur. De absolute vochtigheid blijft dalen tot het interieur de EMC-waarde heeft bereikt. Hoewel er een grote hoeveelheid vocht vrijkomt, namelijk 2-3 g/kg, is het niet genoeg om te beletten dat de relatieve vochtigheid een grote piek vertoont. Er kan wel opgemerkt worden dat de verschillende zones die bij het temperatuurverloop te onderscheiden zijn, eveneens te zien zijn bij het relatieve vochtigheidsverloop, waaronder ook de zone waar de grootste verwarming optreedt, die de grootste daling in relatieve vochtigheid kent. Enkel de preekstoel vormt hierbij een uitzondering, dit valt toe te schrijven aan de grote hoeveelheid vocht die vrijkomt tijdens de opwarming. Orgelconcert Figuur 61: Temperatuurverloop op basis van metingen om de 10 minuten op 22 december 2011 Tim Gavel, Hannes Oppeel 75

76 Figuur 62: Verloop van absolute vochtigheid op basis van metingen om de 10 minuten op 22 december 2011 Figuur 63: Verloop van relatieve vochtigheid op basis van metingen om de 10 minuten op 22 december 2011 Het orgelconcert op 22 december begon om 19:00 en eindigde om 21:00. Op de grafieken is de duur van het orgelconcert aangeduid. Net zoals bij een gewone misviering zijn er bij het temperatuursverloop verschillende zones te zien. Het schip is wel duidelijker als een aparte zone te zien. De kleine piekjes in de zone rond het inblaasrooster zijn het gevolg van het aan- en afslaan van het verwarmingssysteem. Het absolute vochtigheidsverloop toont na afloop van het concert een kleine directe val. Vervolgens wordt het vocht in de binnenlucht geleidelijk aan opnieuw geabsorbeerd door het kerkinterieur. Effecten van de verwarming in de kerk Warmteverdeling Omdat er in de kerk maar één inblaasrooster is voor de luchtverwarming is een volledige verspreiding van de warmte quasi onmogelijk. Als de verwarming opstaat kunnen vier zones onderscheiden worden: Tim Gavel, Hannes Oppeel 76

77 - De zone rond het aanvoer- en extractierooster - Het koor vanaf de viering tot het obsternakel - Het schip - De inkomsas ± 20 C ± 16 C ± 14 C ± θe Figuur 64: Het temperatuursverloop op basis van metingen om de 10 minuten op 1 december 2011 Het huidige verwarmingssysteem is duidelijk niet efficiënt. Enkel rond de roosters is er een grote temperatuurstijging. Door de oriëntatie van de roosters wordt het koor beter verwarmd dan het schip, terwijl om comfortredenen eerder andersom verwacht wordt. De plaats waar het Nood Gods momenteel hangt was gekozen uit de verwachting dat daar de minste temperatuurvariaties zouden optreden vanwege de verwarming. Dit blijkt echter een foute veronderstelling te zijn. In onderstaande figuur zijn de verschillende zones schematisch weergegeven. Figuur 65: De verschillende temperatuurzones in de kerk Tim Gavel, Hannes Oppeel 77

78 Hieruit kan afgeleid worden dat de relatieve vochtigheid in het schip het minst lage waarde zal bereiken als de verwarming wordt opgezet. De kunstwerken in het koor zullen dus onderhevig zijn aan grotere relatieve vochtigheidsfluctuaties dan deze in het schip. Stratificatie Op 6 maart 2012 zijn er 10 loggers onder elkaar in de viering opgehangen. Deze loggers hangen allemaal op een afstand van 1,5 meter van elkaar (Figuur 66). Gedurende twee weken zijn deze loggers blijven hangen. Tijdens deze periode hebben er twee vieringen in de kerk, namelijk op 11 en 25 maart. Hieronder wordt de gemeten stratificatie van 11 maart besproken. Figuur 66: Dwarse snede en aanduiding van de tijdelijke loggers die tussen 6 en 22 maart 2012 de stratificatie in de kerk hebben gemeten Zoals verwacht treedt er een duidelijke stratificatie op. Per 1,5m stijgt de temperatuur bijna 1 C. Enkel de laatste 4 loggers nemen ongeveer dezelfde temperaturen waar. Dit wordt verklaard door het hoogteverschil tussen het gewelf van het transept en van het schip (Figuur 66). De rode pijl geeft de vermoedelijke warmtestroom weer. Figuur 67: Temperatuurstratificatie op 11 maart 2012 Het huidig verwarmingssysteem is echter ook op gebied van stratificatie weinig efficiënt. Terwijl de temperatuur in de zone waar de mensen zich bevinden 16 C bereikt, is de lucht tegen het plafond opgewarmd tot 24 C. Het is ook om deze reden dat de kerk voor het orgelconcert enkele uren op Tim Gavel, Hannes Oppeel 78

79 voorhand wordt opgewarmd: de lucht zal uniformer opgewarmd zijn, en zo ook het orgel. Dit wordt gedaan omdat orgels vrij gevoelig zijn voor temperatuurfluctuaties en vals klinken indien ze niet uniform zijn opgewarmd [47]. Figuur 68: Variatie van de absolute vochtigheid op 11 maart 2012 De variaties in absolute vochtigheid hebben geen schijnbaar verband met de hoogte waarop gemeten wordt. Ze volgen allemaal hetzelfde patroon als weergegeven in Figuur 59. Het verschil tussen de hoogst gemeten waarde voor absolute vochtigheid en de laagste is 2 g/kg. Figuur 69: Variatie van de relatieve vochtigheid op 11 maart 2012 Aangezien de absolute vochtigheid relatief uniform is over de hoogte, is er bij de relatieve vochtigheid opnieuw duidelijk een verband te zien met de hoogte. Hoe hoger de meting, hoe lager de piek van relatieve vochtigheid ligt. Vanaf een hoogte van 9m zakt de relatieve vochtigheid zelfs onder 40%. De top van het orgel rijkt tot ongeveer 13.5m; er zou gesteld kunnen worden dat door deze opwarming grote inwendige spanningen optreden. Maar aangezien die warme lucht een redelijke afstand moet afleggen van de viering tot het orgel en aangezien het orgel zich in de koudste zone bevindt, zal de lucht aan het orgel niet zoveel opwarmen. Verder zal bij het opwarmen van het orgel een grote hoeveelheid vocht vrijkomen (zoals bij de preekstoel) waardoor de absolute vochtigheid toeneemt, en de relatieve minder sterk daalt. Het orgel zal dus net als de preekstoel de fluctuaties zelf opvangen en tegelijk beschadigd geraken. Tim Gavel, Hannes Oppeel 79

80 Vloertemperatuur Om een idee te hebben wat de luchttemperatuur is aan de grond in vergelijking met de zone in het midden van het schip werd een logger geplaatst onder het altaar in de viering (niet in het schip zelf om schade aan de logger of diefstal ervan te voorkomen). Te verwachten was dat de temperatuur aan de grond zonder verwarming iets kouder zou zijn dan de temperatuur in het schip. De metingen tonen nochtans aan dat dit niet klopt (Figuur 70). De temperatuur loopt zo goed als gelijk met de luchttemperatuur, al is de temperatuur aan de grond veel constanter (17-feb). Wanneer de kerk vervolgens verwarmd wordt (18-feb) stijgt de luchttemperatuur nog net tot 11,0 C terwijl het schip 15,3 C bereikt. Figuur 70: Vergelijking tussen de temperatuur aan de grond en de temperatuur in het midden van de kerk op basis van metingen om de 10 minuten op 17 en 18 februari 2012 Klimaat aan het Nood Gods Vergelijking verschillende loggers aan het Nood Gods Om een idee te krijgen hoe het klimaat rond het schilderij is, zijn zoals eerder gezegd drie loggers geplaatst aan het schilderij. Met logger schilderij links wordt de temperatuur en relatieve vochtigheid aan de wand direct achter het schilderij gemeten terwijl schilderij midden en schilderij rechts de temperatuur en relatieve vochtigheid vlak voor het schilderij meten. De logger schilderij rechts is uitgerust met een extra temperatuursensor die de wandtemperatuur meet. Figuur 71: De draadloze logger schilderij rechts [6] met extra temperatuursensor Tim Gavel, Hannes Oppeel 80

81 Zoals te verwachten zijn er maar minimale verschillen bij de niet-verwarmingsdagen op vlak van temperatuur en relatieve vochtigheid tussen de loggers schilderij links, schilderij midden en schilderij rechts aangezien deze zich slechts op iets meer dan een meter afstand bevinden. De temperatuur van de wand daarentegen ligt duidelijk lager. Hieronder is ingezoomd op de verschillen in temperatuur van de verschillende loggers en aan de wand op 23 november Figuur 72: Temperatuurverschillen tussen de verschillende meetpunten aan het schilderij op basis van metingen om de 10 minuten op 23 november 2011 De logger schilderij links geeft een ietwat lager temperatuur weer als schilderij midden en schilderij rechts. Dit is te verklaren omdat de laatste twee de temperatuur en relatieve vochtigheid meten vlak voor het schilderij terwijl de eerste de temperatuur meten achter het schilderij. Enkel de logger schilderij links wordt namelijk beïnvloed door de koelte die afgestraald wordt door de wand. Omdat de temperatuur, absolute en relatieve vochtigheid van de drie loggers op een verwarmingsdag zich lichtjes anders gedragen worden deze op onderstaande grafieken uitgelicht. Op deze dag, 18 december 2011, werd de kerk tweemaal verwarmd. Figuur 73: Temperatuursverloop aan het Nood Gods op basis van metingen om de 10 minuten op 18 december 2011 Voor en na de opwarming is het temperatuurverschil tussen schilderij midden en schilderij links uit Figuur 72 te zien, terwijl tussen schilderij rechts en schilderij midden zo goed als geen verschil te zien is. Wanneer de verwarming wordt opgezet, zullen ze alle drie hetzelfde maximum bereiken. Dit komt Tim Gavel, Hannes Oppeel 81

82 omdat het drieluik op een voldoende afstand van de muur hangt waardoor een goede ventilatie achter het schilderij mogelijk is. Hierdoor warmt het zowel aan de voorkant als de achterkant even snel op. Erna zal de temperatuur aan de wand iets sneller afnemen dan de binnenlucht vanwege het koude vlak van de wand. Figuur 74: Verloop absolute vochtigheid aan het Nood Gods op basis van metingen om de 10 minuten op 18 december 2011 De absolute vochtigheid bij de wand wijkt af van de absolute vochtigheid voor het schilderij. Dit wil zeggen dat terwijl de lucht rondom het schilderij opwarmt, er evenveel vocht verdampt van het schilderij aan de voorkant, als aan de achterkant. Door de uniforme opwarming aan de voor- en achterkant is het te verwachten dat het drieluik uniform uitdroogt en er dus overal evenveel vocht vrijkomt. Figuur 75: Verloop relatieve vochtigheid aan het Nood Gods op basis van metingen om de 10 minuten op 18 december 2011 In het stookseizoen is de relatieve vochtigheid achter het schilderij hoger dan aan de voorkant, op het moment dat de verwarming aanstaat, zal daar dus een grotere verandering ontstaan dan aan de voorkant. Dit betekent dat de inwendige spanningen ten gevolge van het hygrisch werken van het hout het grootst zullen zijn aan de achterkant van de panelen. Tim Gavel, Hannes Oppeel 82

83 Bepaling klimaatklasse aan het Nood Gods De eenvoudigste manier om een idee te krijgen van het klimaat aan het schilderij is door gebruik te maken van een cumulatieve distributiefunctie. Er vooral moet nagekeken worden of de relatieve vochtigheid tussen 25 en 75% gelegen is, aangezien de temperatuur altijd onder 25 C ligt. Figuur 76: Cumulatieve distributiefunctie van relatieve vochtigheid aan het Nood Gods op basis van daggemiddelde waarden aan het schilderij De grafiek toont aan dat de zone rond het schilderij voor 66,5% van de tijd aan klimaatklasse C voldoet, dit komt overeen met 240 van de 361 gemeten dagen. Wordt deze figuur vergeleken met Figuur 55 dan kan vastgesteld worden dat de zone rond het schilderij vochtiger is dan in het midden van de kerk. Temperatuur Gemiddelde ± standaardafwijking 13,5 ± 4,0 C Max dagelijkse fluctuatie 1 2,0 C Dagelijkse fluctuaties² 2,6-14,0 C Relatieve vochtigheid Gemiddelde ± standaardafwijking 73,0 ± 8,4% Max dagelijkse fluctuatie 1 22,7% Dagelijkse fluctuaties² 8,8 34,9%³ 1 Niet rekening houdend met verwarmingsdagen ² Fluctuaties ten gevolge van verwarming ³ De verandering in RV aan het schilderij op 12 februari bedroeg 72,1% Tabel 13: Bepaling klimaatklasse van de kerk van Watervliet Het klimaat rond het schilderij kan ook met de omgekeerde ASHRAE methode van M.H.J. Martens, H.L. Schellen en H.A. Ankersmit [48] bepaald worden. Met deze methode wordt klimaatklasse B geanalyseerd op logger schilderij midden, voor de bepaling van klimaatklasse C is de omgekeerde ASHRAE niet toepasbaar omdat deze klasse geen fluctuaties of seizoenaanpassing oplegt. Voor deze klasse zijn de maximale toegestane dagelijkse fluctuaties ±10% RV en ±5 C. Ook seizoenaanpassingen zijn toegestaan voor de temperatuur, +10 C met een maximale waarde van 30 C, en relatieve vochtigheid, ±10%, op basis van het jaarlijks gemiddelde volgens Tabel 4: ASHRAE klimaatklassen. Tim Gavel, Hannes Oppeel 83

84 Figuur 77: De omgekeerde ASHRAE methode toegepast op de temperatuur van schilderij midden Op deze figuur zijn veel verschillende gegevens weergegeven. De maximale en minimale gemeten dagtemperatuur en het lopend gemiddelde over een periode van drie maanden (1,5 maand vooruit en 1,5 maand terug) geeft het temperatuursverloop over de ganse periode weer. Daarrond is de zone weergegeven waartussen maximale dagelijkse fluctuaties mogen optreden om aan een bepaalde klimaatklasse te voldoen, in dit geval is dit ±5 C. In dit geval is het niet nodig om een correctie toe te passen op het lopend gemiddelde aangezien deze geen waarden boven de seizoenaanpassing, +10 C en max 30 C voor klimaatklasse B, bereikt. Tenslotte wordt het percentage berekend hoeveel procent van de meetwaarden binnen de juiste bandbreedte (grijze zone) vallen. In het geval van temperatuur voor klimaatklasse B is dit 99,72% wat een uitstekend resultaat is. Voor de relatieve vochtigheid rond het schilderij werd ook de omgekeerde ASHRAE methode toegepast (Figuur 78). Net als de temperatuur wordt de relatieve vochtigheid geanalyseerd voor klimaatklasse B. Figuur 78: De omgekeerde ASHRAE methode toegepast op de relatieve vochtigheid Voor klimaatklasse B worden volgens Tabel 4: ASHRAE klimaatklassen korte fluctuaties toegestaan van ±10% en ook een seizoenaanpassing van ±10%. Het percentage waarbinnen de meetwaarden zich in de juiste bandbreedte bevinden voor klimaatklasse B is 71,19%. Dit is tevens ook het Tim Gavel, Hannes Oppeel 84

85 percentage waarbij zowel voor de temperatuur als voor de relatieve vochtigheid de meetwaarden binnen de correcte bandbreedtes vallen. In Figuur 76 wordt daarentegen aangetoond dat het klimaat slechts voor 66,5% van de tijd aan klimaatklasse C voldoet. Hieruit moet geconcludeerd worden dat de omgekeerde ASHRAE methode de klimaatklasse beter voorstelt dan de klassieke methode. Een extra opmerking die moet worden gemaakt bij deze methode is dat hoewel er een maximum grens wordt voorgeschreven van 75% RV, waarden boven deze grens als voldoende worden beschouwd zolang ze niet boven de maximum dagelijkse fluctuatie stijgen. Dit is dan ook deels de oorzaak dat er een zodanig positief resultaat bekomen wordt. Om te weten hoe vaak aan elke klimaatklasse voldaan wordt, is de omgekeerde ASHRAE methode en de klassieke methode op elke klimaatklasse toegepast. Bij klimaatklasse C en D is het niet mogelijk om de omgekeerde ASHRAE methode toe te passen, dus is er enkel met de klassieke methode gewerkt. Voor klasse AA tot B is tevens een correctie toegepast op de omgekeerde ASHRAE methode op de waarden waarbij de gemeten temperatuur tot 25 C en de relatieve vochtigheid tot 75% begrensd wordt. De percentages waarbij aan de verschillende klassen voldaan is lijken na de correctie beter, bijvoorbeeld, 57,9% voldaan aan klasse B < 66,5% voldaan aan klasse C. Klimaatklasse Temperatuur Relatieve vochtigheid Omgekeerde ASHRAE methode Klassieke methode 1 Omgekeerde ASHRAE methode Klassieke methode 1 AA 85,9% 18,6/0,0/16,6% 51,8% 4,7/0,0/4,2% AA correctie 85,9% 46,8% A 85,9% 18,6/0,0/16% 50,4% 48,4/0,0/43,2% A correctie 85,9% 45,4% As 85,9% 84,8/25,6/78,4% 87,3% 7,5/0,0/6,6% As correctie 85,9% 58,7% B 99,7% 99,1/25,6/91,1% 82,8% 48,4/0,0/43,2% B correctie 99,7% 57,9% C - 100% - 66,5% D - 100% - 66,5% 1 exclusief verwarmingsdagen / enkel verwarmingsdagen / combinatie 2 temperatuur lager dan 25 C 3 volgens de klassieke ASHRAE methode Tabel 14: Vergelijking van de verschillende klimaatklassen volgens de omgekeerde ASHRAE en de klassieke methode, door te na te gaan hoe vaak aan de voorwaarden voldaan wordt De grootste verschillen tussen de omgekeerde ASHRAE en de klassieke methode zijn te wijten aan de strenge begrenzing door de seizoenaanpassing bij de klassieke methode, terwijl dit bij de omgekeerde ASHRAE methode dubieus gebeurt: zolang aan de dagelijkse fluctuaties wordt voldaan, kan de minimum- en maximumgrens van de seizoenaanpassing overschreden worden. Volgens de omgekeerde ASHRAE methode voldoet het klimaat daarenboven meer aan klasse As dan aan klasse B voor de relatieve vochtigheid, dit komt omdat bij As gebruik wordt gemaakt van het jaargemiddelde (lopend gemiddelde tussen RV gem ± 0%), terwijl bij klasse B wel van het lopend gemiddelde wordt gebruik gemaakt (lopend gemiddelde tussen RV gem ± 10%). Dit is ook het geval tussen klasse AA en A. Tim Gavel, Hannes Oppeel 85

86 Schimmelvorming op het Nood Gods en de preekstoel Omwille van de grote vochtlast aan het schilderij is aan de hand van WUFI Bio een analyse gedaan op de groei van schimmels op het eikenhout. WUFI Bio berekent volgens de methode van Sedlbauer [8] de schimmelindex. Het watergehalte van de schimmel wordt vergeleken met het kritisch watergehalte voor de schimmel. Indien het watergehalte stijgt boven het kritische watergehalte ontstaat er ontkieming of groei van de schimmel. In de eerste plaats wordt schimmelgroei aan het Nood Gods bekeken. Op Figuur 79 valt het op dat het watergehalte in de schimmels vooral in de maand mei en juni hoog boven het kritisch watergehalte uitsteekt. Het is dan ook te verwachten dat de schimmelindex vooral op het einde van de analyse veel zal stijgen. Figuur 79: Het watergehalte en het kritisch watergehalte van schimmels op het Nood Gods Figuur 80: De schimmelindex aan het Nood Gods Hoewel de materialen waaruit het schilderij zijn opgebouwd in materiaalklasse 1 kunnen onderverdeeld worden, wordt toch een analyse gemaakt voor de drie materiaalklassen omdat extra factoren, zoals stof, aanleiding geven tot een andere materiaalklasse. In geval van stofophoping moet materiaalklasse 0 gebruikt worden, want stof is een ideale kiemondergrond. Tim Gavel, Hannes Oppeel 86

87 Materiaalklasse Schimmelindex [-] Schimmelgroei [mm/jaar] 0 1, ,034 18,5 2 0,0042 2,58 Tabel 15: Schimmelindex en schimmelgroei per materiaalklasse in het klimaat aan het Nood Gods De schimmelindex lijkt toch lager dan verwacht, want er is meer schimmelgroei te zien dan wat er volgens Tabel 1: Beschrijving van de schimmelindices zou zijn. Dit kan enerzijds verklaard worden doordat de berekening ervan slechts gebaseerd is op metingen gedurende 12 maanden. Het schilderij hangt echter al sinds de laatste restauratie van 1968 in het klimaat van de kerk, waardoor de echte schimmelindex waarschijnlijk hoger zal zijn. Een andere verklaring kan volgen uit het buitenklimaat: het laatste jaar kwam de relatieve en absolute vochtigheid, behalve in juni, nooit boven gemiddelde waarden uit. Wordt de schimmelvorming aan het Nood Gods vergeleken met de preekstoel, dan kan opgemerkt worden dat het watergehalte in de schimmels ter plaatse van de preekstoel meestal hoger is, maar in tegenstelling tot het schilderij, is er geen grote piek in de maand mei en juni, zoals in Figuur 81 zichtbaar is 2. Figuur 81: Het watergehalte en het kritisch watergehalte van schimmels op de preekstoel 2 Omdat de logger preekstoel maar actief was vanaf 1 september, is voor de maanden juli en augustus gebruik gemaakt van de metingen van de logger kerk midden zodat het mogelijk was een volledig jaar te berekenen. Tim Gavel, Hannes Oppeel 87

88 Figuur 82: De schimmelindex aan de preekstoel Materiaalklasse Schimmelindex [-] Schimmelgroei [mm/jaar] 0 2, ,0097 5, Tabel 16: Schimmelindex en schimmelgroei per materiaalklasse in het klimaat aan de preekstoel Voor materiaalklasse 0 is de schimmelindex duidelijk groter dan deze bij het Nood Gods, de andere materiaalklassen zijn lager dan bij het Nood Gods. Hieruit kan afgeleid worden dat de preekstoel veel gevoeliger zal zijn voor stofophoping en andere materialen die voor een goede kiemondergrond zorgen. Net als bij het Nood Gods is de schimmelindex aan de lage kant, aangezien de schimmelgroei op de preekstoel al duidelijker zichtbaar is dan wat de schimmelindex aanduidt volgens Tabel 1: Beschrijving van de schimmelindices. Het is niet mogelijk volledige conclusies te vormen over de problematiek van schimmelvorming enkel op basis van deze grafieken. Er dient verder onderzoek te worden verricht met eventueel bijkomende plaatselijke metingen. Enkele plaatselijke bepalende oorzaken van schimmelgroei kunnen zijn: - Oppervlakteschimmel op delen die minder goed verlucht worden, - Plaatselijke vochtplekken/vochtindringing, - Stofophoping of polluentenafzetting, -. Tim Gavel, Hannes Oppeel 88

89 Conclusies Uit archieven is gebleken dat de vochtproblemen in de kerk geen recent probleem zijn: de kunstwerken werden al regelmatig gerestaureerd en de vloer meermaals vervangen [42]. Tijdens de gemeten periode was het klimaat stabiel, maar duidelijk aan de vochtige kant. Met een gemiddelde waarde van 73,0% (kerk midden) is het dan ook niet verwonderlijk dat er schimmelvorming is op de preekstoel en verschillende schilderijen, oxidatie van de glas-in-loodramen etc. Aangezien de vochtigheid van de binnenlucht voornamelijk beïnvloed wordt door de fluctuerende vochtigheid van de buitenlucht, kan het verlagen van het grote infiltratievoud door het dichten van spleten en openingen en het plaatsen van voor- of achterzetbeglazing [1] ervoor zorgen dat een stabieler vochtprofiel ontstaat in de kerk. Als vervolgens de problemen van opstijgend vocht en regendoorslag, die een grotere impact zullen hebben als het infiltratievoud daalt, worden behandeld kan een lagere relatieve vochtigheid verkregen worden in de kerk. Het huidig verwarmingssysteem met enkel een toevoer- en afvoerrooster is weinig efficiënt en om conservatieredenen voor het kerkinterieur aan vervanging toe. Door de manier waarop dit systeem geregeld wordt gaat een groot deel van de warmte verloren aan stratificatie. Dit is onder andere zeer schadelijk is voor het orgel. Door zijn opstelling blijft het grootste deel van de warmte hangen waar geen mensen zitten, namelijk het koor en de rondgang. Hierdoor worden de schilderijen in de rondgang en het altaar onnodig aan grote fluctuaties in temperatuur en relatieve vochtigheid blootgesteld. Bij het ontwerp van een nieuw verwarmingssysteem moet er aan drie vereisten voldaan worden: - Betere verdeling van de warmte - Efficiënter energieverbruik - Betere regeling De verdeling is vooral gericht op de conservatie van het kerkinterieur. Door enkel de plaatsen te gaan verwarmen waar effectief verwarming nodig is, blijft het microklimaat rond de kunstwerken quasi ongewijzigd. Hierdoor zal ook het energieverbruik dalen. Vanwege het grote volume van het gebouw is het beperken van de stratificatie tevens ook een belangrijke factor in het beperken van het energieverbruik. Een goede regeling kan verder ook bijdragen aan het verlagen van het energieverbruik en aan een goede conservering van de kunstwerken door strikte regels aan het verwarmen te koppelen zoals de temperatuur maximaal 1 C per uur te laten toenemen. Een automatische regeling voorkomt ook menselijke fouten zoals het vergeten afzetten van de verwarming of het te hoog zetten ervan. Tim Gavel, Hannes Oppeel 89

90 Simulaties Inleiding Om de prestaties van verschillende verwarmingssystemen te voorspellen is een simulatietool aangewezen. Op deze manier kan de impact van deze systemen op het thermische en hygrische microklimaat van de kerk op korte en lange termijn ingeschat en geëvalueerd worden. Ook de impact van het huidige systeem op dit klimaat is van cruciaal belang om de voorwaarden te bepalen voor het conserveren van het kerkinterieur en het thermische comfort van de kerkgangers. In dit hoofdstuk wordt een overzicht gegeven van de bestaande simulatietools met het oog op het verduidelijken van hun toepassingen en beperkingen. Voor dit onderzoek wordt het pakket TRNSYS aangewend voor het simuleren en evalueren van de thermische en hygrische condities van het huidige systeem en de impact van de te onderzoeken verwarmingssystemen. Verder worden de prestaties met betrekking tot conservatie van het interieur, thermisch comfort en energieverbruik van het huidige systeem geëvalueerd met verschillende nieuwe regeltechnieken. Soorten simulatietools Gebouwen zijn complexe systemen die op verschillende schalen kunnen bestudeerd worden (het hele gebouw, gebouwelementen). Bijgevolg kunnen verschillende aspecten van het gebouw bestudeerd worden met een variërende graad van detail naargelang het doel van het onderzoek. In het geval van warmte- en vochttransport kunnen de numerieke modellen in vier categorieën onderverdeeld worden op gebaseerd op hun toepassing [49]: - Transient building energy simulaties - Airflow simulaties - Ventilatie- en infiltratiesimulaties - Simulaties van warmte-, vocht- en luchttransport in constructieonderdelen De eerste categorie van modellen wordt Building Energy Simulation (BES) genoemd en wordt gebruikt om allerlei verschillende processen gerelateerd met energieconsumptie in gebouwen te simuleren. Deze processen bevatten warmteverliezen of winsten doorheen de gebouwenveloppe, zonnelasten, interactie tussen het gebouw en de technische installaties (HVAC), Omdat deze tools zich vooral richten op energie gerelateerde processen, zijn ze niet echt geschikt om de combinatie van warmte- en vochttransport in gebouwen te simuleren. Sommige van deze modellen houden echter wel rekening met een vochtbuffer in de gebouwenveloppe om de interne relatieve vochtigheid beter te voorspellen, zoals bijvoorbeeld het geval is in het vochtmodel van TRNSYS. Deze interne relatieve vochtigheid kan ook gelinkt worden aan de energieconsumptie in gebouwen als bevochtiging of ontvochtiging van de lucht wordt toegepast. Vochtsimulaties zijn niet de hoofdtoepassing van de BES-tools, dus maken deze gebruik van vereenvoudigde modellen om de interne relatieve vochtigheid en vochtbuffering te simuleren. De BES-tools kunnen ook gebruikt worden om de binnentemperatuur te controleren en, in sommige gevallen, ook de relatieve vochtigheid voor het evalueren van de Indoor Air Quality (IAQ). Om een goed thermisch comfort te garanderen en bovendien een optimaal klimaat te creëren voor de conservatie van het interieur, moeten de binnentemperatuur en de relatieve vochtigheid binnen bepaalde grenzen blijven (zie Ontwerpparameters voor comfort en conservatie). De temperatuur en de relatieve vochtigheid Tim Gavel, Hannes Oppeel 90

91 hebben een grote impact op de perceptie van luchtkwaliteit [50] en moeten dus steeds beschouwd worden bij de evaluatie van IAQ. In de tweede categorie van modellen, de zogenaamde air flow models, kan het warmte- en vochttransport gemodelleerd worden gerelateerd aan de luchtstromingen in en rond gebouwen. Dit kan echter verder gekoppeld worden aan vocht- en thermische modellen zodat ook vocht en warmte in acht kunnen genomen worden. Twee verschillende types luchtstromingsmodellen kunnen beschouwd worden: de Computational Fluid Dynamics (CFD) modellen en de zonale modellen. Deze twee types zijn gebaseerd op het niveau van modellering, namelijk micro- en macromodellering. CFD modellen verwerken de volledige conservatievergelijkingen (massa, energie en impuls) van de lucht in het luchtstromingsmodel, terwijl zonale modellen vereenvoudigde vergelijkingen oplossen in een begrensd aantal cellen. CFD heeft het voordeel veel nauwkeuriger te zijn dan zonale modellen, maar de zonale modellen hebben een veel kortere berekeningsduur nodig. De toepassing van de luchtstromingsmodellen in het evalueren van gebouwen kan gevonden worden voor zowel exterieur als interieur. De buitenluchtstroming kan gesimuleerd worden om windcomfort te voorspellen [51], regeninslag op de façade [52], verspreiding van contaminanten. In het interieur van het gebouw zijn luchtstromingsmodellen zeer geschikt om de IAQ te evalueren omdat zij niet enkel informatie verschaffen omtrent de gemiddelde luchttemperatuur en relatieve vochtigheid zoals BES doet, maar ook de distributies van deze eigenschappen kunnen voorspellen [53]. Bovendien kunnen luchtstromingsmodellen informatie verschaffen omtrent luchtsnelheden (tocht), contaminanten en, in het geval van CFD, turbulentie intensiteit [54]. Dit laat een zeer complete evaluatie van de IAQ toe. De tweede hoofdtoepassing van de luchtstromingsmodellen in het interieur van gebouwen is de simulatie van distributies gegenereerd door verwarmings- en ventilatiesystemen, zodat hun effecten bestudeerd kunnen worden onder verschillende scenario s [54], [55]. Terwijl de tweede categorie van modellen zich vooral concentreert op luchtstromingen binnen een enkele kamer, worden de ventilatie- en infiltratiemodellen van de derde categorie, ook multi-zonale modellen genoemd, gebruikt om de luchtstromingen en contaminantenverspreiding tussen verschillende kamers/zones van het gebouw te simuleren. Net zoals bij de luchtstromingsmodellen wordt deze categorie van modellen gebruikt om de IAQ en de ventilatiesystemen te evalueren. Het verschil tussen beide categorieën is dat de ventilatie- en infiltratiemodellen de stromingspaden in het hele gebouw beschouwen in plaats van in een enkele zone. Zo wordt een zone beschouwd als constant in temperatuur, druk, vochtigheid, terwijl bij een zonaal model de zone onderverdeeld wordt in zeer grove cellen. Deze modellen beschrijven dus de problemen op een grotere schaal. Twee ventilatie- en infiltratiemodellen die vaak gebruikt worden zijn COMIS [56] en CONTAM [57]. De modellen van de vierde en laatste categorie zijn de zogenaamde HAM modellen (Heat, Air and Moisture models). Deze modellen verschaffen gedetailleerde analyses van de hygrothermische reactie in constructieonderdelen, wanneer het effect van vocht op het warmtetransport een significante rol speelt [58] en analyses van schademechanismen gerelateerd met vocht, zoals schimmelgroei [59]. Veel HAM modellen houden rekening met het effect van luchttransport door de poreuze structuur van de constructie. Hoewel de vier verschillende categorieën modellen zich op verschillende domeinen concentreren, is er toch een zekere overlapping tussen. Zo wordt bijvoorbeeld in BES modellen de temperatuur en de relatieve vochtigheid van de binnenlucht op een vereenvoudigde manier geëvalueerd op jaarbasis, Tim Gavel, Hannes Oppeel 91

92 terwijl deze bij luchtstromingsmodellen op een enkel moment op een zeer gedetailleerde manier worden berekend. Deze twee modellen laten dus toe om verschillende aspecten van de IAQ te evalueren. De overlappingsgebieden worden dus beschouwd op verschillende graden van detail. Door het combineren van modellen uit verschillende categorieën wordt het dus mogelijk om nauwkeurigheid toe te voegen bij het bestuderen van een bepaald probleem. Om te bepalen welke categorie van modellen of welke combinatie van modellen het meest geschikt is voor deze studie, is het noodzakelijk om de vereisten van het model te bepalen. Modelvereisten Een kennis van de korte- en lange termijnparameters van het microklimaat van de kerk is van groot belang om de conservatie van kerk en interieur en de voorwaarden voor thermisch comfort te voorspellen. Zowel lucht- en oppervlaktetemperaturen als relatieve vochtigheid moeten gekend zijn in functie van de tijd. Ook de benodigde warmtecapaciteit en het energieverbruik van de geselecteerde verwarmingssystemen moeten bepaald zijn om de prestaties van deze systemen te evalueren. Om de impact van de systemen op het klimaat van de kerk op lange termijn te onderzoeken is het wenselijk om over langere periodes (enkele maanden tot een jaar) te simuleren. In dit geval wordt het model opgebouwd met een beperkte hoeveelheid aan data. Informatie over het infiltratievoud en over de thermische prestaties van de gebouwschil ontbreekt, waardoor het noodzakelijk wordt de berekeningsduur in te perken wordt zodat het model met trial-&-error kan scherp gesteld worden. Omdat de meeste kerken niet uit een groot aantal verschillende kamers bestaan, zijn er maar een beperkt aantal zones nodig om deze te beschrijven. Hoewel de geometrie van deze monumentale gebouwen vrij complex is, zijn zij opgebouwd uit niet-geïsoleerde, uniforme en dikke wanden, vloeren, plafonds en constructie-elementen die meestal tot relatief uniforme oppervlaktetemperaturen leiden. Daarom kunnen we de gebouwschil als eendimensionaal beschouwen betreffende het binnenklimaat en de warmteverliezen. De constructie-elementen zelf moeten daarentegen nauwkeurig gemodelleerd worden omdat deze muren, vloeren en gewelven een aanzienlijke dikte hebben. Hierbij moet rekening gehouden worden met de faseovergangen bij temperatuur en vochtigheid. De dikke muren hebben bovendien als gevolg dat er een sterke koudeval zal plaatsvinden ter plaatse van de muren, waardoor daar lokaal het thermisch comfort in het gedrang komt. Bovendien wordt het thermisch comfort niet enkel door de luchttemperatuur bepaald, maar ook door het gehalte aan stralingswarmte zoals bijvoorbeeld bij vloerverwarming. Het is wenselijk dat het model rekening houdt met lokale stralingsverschijnselen zodat, het thermisch comfort van de gebruikers kan bepaald worden naargelang hun locatie in de kerk. Als laatste moet het model een idee geven van de luchtstromingen in een grote ruimte, met andere woorden de stratificatie. Dit is een belangrijke voorwaarde voor het evalueren van de energieefficiëntie van het systeem. Tim Gavel, Hannes Oppeel 92

93 Keuze van simulatietool Het meest ruwe type van modellen zijn de zogenaamde enkelzone modellen (Figuur 83 links). In deze modellen wordt het gehele gebouw als een perfect gemengde zone beschouwd, gerepresenteerd door één berekeningsnode. Dit betekent dat temperatuur en vochtigheid hetzelfde zijn voor het hele gebouw. Deze modellen zijn bruikbaar voor kerken aangezien deze uit één grote ruimte bestaan. De distributies van de binnenlucht worden echter niet in rekening gebracht waardoor stratificatie niet kan geëvalueerd worden. Figuur 83: Schematische representatie van gebouwsimulatiemodellen, links: enkelzone model, rechts: multizonaal model Multizone modellen (Figuur 83 rechts) verdelen het gebouw in verschillende zones. Delen van het gebouw met een andere oriëntatie of verwarming kunnen in een aparte zone geplaatst worden, m.a.w. elke kamer kan worden gerepresenteerd door een berekeningsnode (of airnode). In deze benadering wordt de aanname van perfect gemengde lucht toegepast op elke zone. Er zijn een opmerkelijk aantal tools die gebruik maken van deze benadering, waaronder TRNSYS [60] en EnergyPlus. De modellen kunnen uitgebreid worden met luchtstromingsberekeningsmodellen, zoals CONTAM en COMIS, die toelaten de luchtstromen tussen de zones te voorspellen rekening houdend met het buitenklimaat d.m.v. deuren, ramen, spleten, leidingen. Op deze manier kan door temperatuur en vocht het ontstane luchttransport en de verspreiding van contaminanten berekend worden. Sinds enkele jaren is een uitgebreide versie van TRNSYS beschikbaar, nl. TRNFlow [61], waarin de COMIS software direct geïntegreerd is, waardoor de berekening veel duidelijker kan worden uitgevoerd. TRNSYS gekoppeld met TRNFlow lijkt een interessante tool voor deze studie, aangezien hiermee (vereenvoudigde) simulaties over een lange periode (enkele maanden tot jaren) kunnen worden uitgevoerd met een beperkte berekeningsduur. Bovendien kan er rekening gehouden worden met buitenluchtstromingen door het invoeren van de lokale windrichtingen en snelheden. TRNSYS 16 biedt echter geen mogelijkheden aan betreffende luchtstromingen binnen eenzelfde zone (stratificatie) en houdt ook geen rekening met lokale stralingsverschijnselen. Sinds juli 2010 is de nieuwe TRNSYS 17 uitgebracht waar men zich vooral heeft gericht op het verbeteren van het simuleren van sterk beglaasde grote ruimtes zoals hoge atria, terwijl rekening gehouden wordt met nauwkeurigheid, gebruiksvriendelijkheid en gevoeligheid voor fouten. Zo is het bestaande multizone gebouwmodel uitgebreid tot een gedetailleerde modellerinh van een 3- Tim Gavel, Hannes Oppeel 93

94 dimensionaal energietransport door straling en thermische stratificatie. Hierdoor wordt het tevens mogelijk de geometrie van de kerk nauwkeurig in te geven via een plug-in met SketchUp: Trnsys3d. De Trnsys3d plug-in is gebaseerd op het open source programma OpenStudio [62]. Deze plug-in is echter geen volledige interface zodat niet-geometrische data zoals materialen, constructies, regelingen, interne warmtewinsten, HVAC, etc, nog steeds moeten ingegeven worden in TRNbuild, de standaard bouwinterface van TRNSYS. Door de integratie van het nieuwe gedetailleerde model kan een stralingszone uit meer dan één airnode bestaan zoals getoond in Figuur 84 [63]. In TRNbuild kan een zone verschillende airnodes bevatten. Het is echter aangeraden om elke airnode als een zone te definiëren in Trnsys3d. In een atrium wordt de stratificatie bijvoorbeeld meestal gerepresenteerd door verschillende airnodes. In Trnsys3d wordt elke airnode gedefinieerd door een aparte zone en de aangrenzende oppervlakken tussen de zones worden als Virtual Surface bestempeld. Deze oppervlakken worden automatisch verwijderd wanneer het model wordt geïmporteerd in TRNbuild, waardoor een nauwkeurig model ontstaat voor de stralingszone. Hierdoor is het convectief modelleren van stratificatie sterk verbeterd. Figuur 84: Stralingszone met 3 airnodes Gebouwoppervlakken en regime gegevens (verwarming, koeling, infiltratie, ventilatie, etc.) worden in TRNbuild toegewezen aan een airnode. De warmte-uitwisseling tussen gebouwoppervlakken en de airnode is enkel gebaseerd op convectie, terwijl de kortgolvige stralingsdistributie en de langgolvige stralingsuitwisseling uitgevoerd worden over de hele stralingszone. Airnodes van één stralingszone kunnen een convectieve koppeling hebben met twee andere airnodes van dezelfde zone. Deze uitbreiding maakt het mogelijk om gedetailleerde comfortsimulaties uit te voeren naargelang de locatie in de kerk en er wordt bovendien rekening gehouden met de thermische stratificatie. Deze simulatietool zal gebruikt worden doorheen de rest van deze studie aangezien de CFD-tools een veel te grote berekeningsduur hebben. Naast stratificatie en comfortberekeningen is het ook noodzakelijk om het buffereffect met betrekking tot vocht in de dikke muren en het interieur van de kerk te beschouwen. In TRNSYS is het Tim Gavel, Hannes Oppeel 94

95 Effective Moisture Penetration Depth (EMPD) model inbegrepen om de effecten van vochtbuffering in de constructieve elementen op de relatieve vochtigheid in een ruimte in rekening te brengen. In het EMPD model wordt enkel het vochttransport in een kleine laag dichtbij het reactieoppervlak met lucht beschouwd. De dikte van deze laag hangt af van grootte van de fluctuaties in relatieve vochtigheid en de geassocieerde vochtpenetratiediepte in het materiaal. Er verondersteld dat op een diepte van drie maal de penetratiediepte, de reactie van het materiaal op een fluctuatie in relatieve vochtigheid reeds tot 5% gedaald is. Dit vereenvoudigd vochtmodel beschouwt slechts één virtuele laag die al de verschillende muren representeert. Met de invloed van variaties in de muurtemperatuur op de relatieve vochtigheid in het materiaal wordt geen rekening gehouden. Er kan geconcludeerd worden dat het EMPD model niet gebruikt kan worden wanneer men het effect van fluctuaties in de lucht op het hygrothermisch gedrag van het materiaal correct wil voorspellen. Aangezien het vochtbuffermodel de invloed van variaties in buffertemperatuur niet in rekening brengt, is een correcte voorspelling van het effect van vochtbuffering op de relatieve vochtigheid in onverwarmde gebouwen niet mogelijk. Tim Gavel, Hannes Oppeel 95

96 TRNSYS Opbouw van het model Zoals bij veel kerken het geval is, zijn er weinig gegevens bekend betreffende de precieze eigenschappen van de gebouwschil zodat een simulatiemodel opbouwen gepaard gaat met veel onzekerheden en aannames. Hierbij moet er gebaseerd worden op de uitgebreide literatuur over materiaaleigenschappen zodat het model stapsgewijs opgebouwd kan worden. De aannames worden gevalideerd door het model regelmatig naast de meetresultaten te leggen en deze te vergelijken. Dit is een lang proces van trial-&-error. De metingen die uitgevoerd zijn, beperken zich tot temperatuur- en relatieve vochtigheidsmetingen in de kerk. Om het model te valideren, is het noodzakelijk om over gegevens van het buitenklimaat te beschikken zodat het model zich in dezelfde omstandigheden als de kerk bevindt. Uitgebreide klimaatgegevens zijn verkregen van het weerstation te Oostburg [64], dat zich slechts op 13km afstand van de kerk in Watervliet bevindt. Op basis van deze meetgegevens is een klimaatbestand aangemaakt die gebruikt wordt in de simulaties. Dit bestand bevat temperatuur, relatieve vochtigheid, zonne- en hemelstralingsgegevens. Het eerste model is een vereenvoudigde versie, aangemaakt met TRNSYS 16 zonder TRNFlow. Dit betekent dus dat geen rekening is gehouden met de interne luchtstromingen en er nog geen mogelijkheid bestaat om het thermisch comfort te bepalen naargelang de locatie met het stralingsmodel. Dit model is echter wel nuttig om de eigenschappen van de bouwenveloppe te bepalen alsook een idee te geven van het infiltratievoud, omdat het model vrij eenvoudig blijft en zo de simulatieduur beperkt blijft, wat zeker een voordeel is bij dit trial-&-error-proces. Materiaaleigenschappen Eerst en vooral worden de materiaaleigenschappen bepaald met behulp van de uitgebreide bestaande literatuur die deze eigenschappen beschrijft. Er wordt verder ook een beroep gedaan op de case studies in de doctoraatsthesis van Henk Schellen [1], waar een groot aantal materiaaleigenschappen van gelijkaardige kerken beschreven staan, om een plausibele schatting te maken van de thermische eigenschappen van de gebouwschil van de kerk in Watervliet. Alle aangenomen waardes voor geleidbaarheid, warmtedoorgangscoëfficiënten en diktes zijn samengevat in Bijlage 5: Kerkdata. De warmtedoorgangscoëfficiënt U van een wand is de hoeveelheid warmte die elke seconde per vierkante meter oppervlakte door een wand gaat bij een temperatuurverschil van 1 C tussen de omgevingen aan beide zijden van die wand, in W/m²K. De materiaaleigenschappen van de muren kunnen echter niet zomaar overgenomen worden uit de literatuur omdat de muren in de kerk zeer dik en massief zijn, wat een aanzienlijke invloed zal hebben op het thermische gedrag van de gebouwschil. Dit betekent dat om de U-waarde van deze muren te bepalen, rekening gehouden moet worden met de warmtegeleidbaarheid van zowel de bakstenen en de voegen. De warmtegeleidbaarheid λ van een materiaal is de hoeveelheid warmte die in stationaire toestand door het materiaal gaat, per eenheid van oppervlakte per tijdseenheid en per eenheid temperatuurgradiënt in dit materiaal, in W/mK. Bovendien kunnen deze dikke muren na neerslagperiodes ook zeer veel vocht bevatten, wat een niet onbelangrijke impact zal hebben op de prestaties van de gebouwschil. Tim Gavel, Hannes Oppeel 96

97 Om deze effecten in rekening te brengen wordt, gebruikt gemaakt van de norm prnbn B die opgesteld is in het kader van het vereenvoudigen van de berekeningen voor het warmtebehoud van woongebouwen, afhankelijk van de netto-energiebehoefte, de oriëntatie van het gebouw, het silhouet, het totaal raamoppervlak, warmtewinsten, en winter- of zomerregime. Deze berekeningen houden rekening met de 3 vormen van warmtetransport: geleiding door een materiaal, convectie of transport van warmte door verplaatsing van warme en koude lucht, en tenslotte warmtestraling van een wand naar de ruimte. Omdat deze berekeningen heel ingewikkeld en omslachtig zijn, heeft men deze norm ontwikkeld met een vereenvoudigde methode op basis van de stationaire isolatieprestatie van de bouwdelen (ramen, muren, daken en vloeren). Samen met de norm prnbn B (2007), geeft deze aan op welke manier de warmtedoorgangscoëfficiënt U van een wand en het globale K- peil van een gebouw moeten bepaald worden, rekening houdend met de compactheid van de woning en het voorkomen van koudebruggen. De norm definieert volgende begrippen: λ Ue : λ Ui : de rekenwaarde van de warmtegeleidbaarheid van een materiaal in een buitenwand, die door regeninslag, door oppervlakte- en blijvende inwendige condensatie of door opstijgend vocht nat kan worden. de rekenwaarde van de warmtegeleidbaarheid in een buitenwand, beschermd tegen vocht en condensatie, en in een binnenwand. In het geval van de OLV-Hemelvaartkerk zal dus moeten gebruik gemaakt worden van λ Ue. De λ U -waarde van de wand in metselwerk (bestaande uit de bakstenen en de mortelvoegen) wordt bepaald als volgt: λ U = λ Usteen A steen A steen +A mortelvoeg + λ UmortelvoegA mortelvoeg A steen +A mortelvoeg (W/ m.k) (10) Met: λ Usteen en λ Umortelvoeg de warmtegeleidingscoëfficiënt van respectievelijk de baksteen en de mortelvoeg A steen het zichtoppervlak van de baksteen A mortelvoeg het zichtoppervlak van de mortelvoeg Figuur 85: Aanduiding van termen [65] De verhouding van de oppervlakte van de steen op de totale oppervlakte van steen en mortelvoeg (A steen /(A steen +A mortelvoeg )) en de verhouding van de oppervlakte van de mortelvoeg op de totale Tim Gavel, Hannes Oppeel 97

98 oppervlakte van steen en mortelvoeg (A mortelvoeg /(A steen +A mortelvoeg )) worden gegeven in Bijlage 4: Tabellen voor gecorrigeerde U-waarde berekening van bakstenen en mortelbijlage 4: Tabellen. Voor de λ U -waarde van de mortelvoeg kan de waarde voor courante cementmortel gebruikt worden die in de norm prnbn B gegeven wordt: Volumegewicht ρ (kg/m³) λ Ui (W/mK) λ Ue (W/mK) Tabel 17: Warmtegeleidbaarheid voor cementmortel Voor de λ U -waarde van de baksteen wordt een onderscheid gemaakt tussen gecertificeerde stenen en niet-gecertificeerde stenen. De λ U -waarden van de gecertificeerde stenen worden opgegeven in de technische documentatie van de fabrikant, of indien deze niet voorhanden is, kunnen tabelwaarden uit de norm prnbn B (Bijlage 4: Tabellen) gehanteerd worden. Ook de λ U - waarden van de niet-gecertificeerde bakstenen worden weergegeven. Vervolgens moet de invloed van vochtopname door de dikke muren in rekening gebracht worden. Hiervoor wordt het begrip evenwichtsvochtgehalte gedefinieerd: het evenwichtsvochtgehalte is het percentage water dat door het materiaal in evenwichtstoestand vastgehouden wordt bij een bepaalde relatieve luchtvochtigheid. Deze waarde heeft zijn belang voor het thermisch gedrag van metselwerk aangezien water een goede warmtegeleider is. Hoe minder water in de steen, hoe beter zijn thermische eigenschappen. Baksteen heeft door zijn specifieke poriënstructuur het laagste evenwichtsvochtgehalte van alle metselstenen. Figuur 86: Evenwichtsvochtgehalte (vol%) voor relatieve vochtigheidswaardes [65] Tim Gavel, Hannes Oppeel 98

99 Figuur 87: Invloed van het evenwichtsvochtgehalte (vol%) op de geleidbaarheid van het materiaal [65] Als deze methode gevolgd wordt, wordt een gecorrigeerde λ-waarde bekomen: Type steen Volumegewicht ρ (kg/m³) λ gecorigeerd (W/mK) Niet-gecertificeerde kalkzandsteen type M Tabel 18: Gecorrigeerde λ-waarde Rekening houdend met alle bovenstaande data wordt het nu mogelijk de warmtedoorgangscoëfficiënt U te bepalen voor de dikke massieve muren. Deze wordt berekend met volgende formules: U = 1 R T (11) R T = R e + d muur λ muur + R i (12) R = d λ (13) Met U = warmtedoorgangscoëfficiënt [W/m²K] R T = totale warmteweerstand is van een wand van omgeving tot omgeving [m²k/w] R e = warmteovergangsweerstand binnenconditie [m²k/w] Voor verticale wanden is R e = 0,04 m²k/w (prnbn B tabel 1) R i = warmteovergangsweerstand binnenconditie [m²k/w] Voor verticale wanden is R i = 0,13 m²k/w (prnbn B tabel 1) R = warmteweerstand [m²k/w] d = dikte van het materiaal [m] λ = warmtegeleidbaarheid van het materiaal [W/mK] De resultaten worden samengevat in de volgende tabel: Tim Gavel, Hannes Oppeel 99

100 Materiaal d (m) λ (W/mK) Metselwerk 0, Binnenpleister ,8 U = 1,527 W/m²K Tabel 19: U-waarde van de muren Thermische traagheid In de hierboven beschreven berekeningen is steeds verondersteld dat de temperaturen en warmtestromen niet veranderen in de tijd. In werkelijkheid zal echter de buitentemperatuur in ons klimaat fluctueren. Voorbeelden zijn dag- en nachtregime en tussen zomer en winter, De warmteweerstand R is niet de enige grootheid die het energieverbruik van een gebouw bepaalt. Vergelijken we bijvoorbeeld een niet-geïsoleerde kerk in natuursteen met een industriehal, beide gebouwen met wanden met dezelfde warmteweerstand. Hoewel de warmteweerstand gelijk is, zal het in de zomer behaaglijk koeler zijn in de kerk. De massieve wanden zullen de warmte opslaan om deze s avonds terug af te geven. Dit verschijnsel neemt toe naarmate de capaciteit van de wand verhoogt. C = ρ.c.v (14) Met C = capaciteit [J/K] ρ = soortelijk gewicht [kg/m³] c = specifieke warmtecapaciteit [J/kgK] V = volume [m³] Een grote warmtecapaciteit wordt bekomen door zware bouwelementen te gebruiken die de warmte gemakkelijk opnemen en een hoge warmtegeleiding hebben. Hieruit volgt onmiddellijk de praktische beperking, een hoge warmtegeleiding betekent grote warmteverliezen. De kerk zal in de zomer aangenaam koel zijn, maar in de winter te kil omdat de isolatie te laag is of met andere woorden de warmtegeleiding te groot. Om capacitief te bouwen is er nood aan een materiaal met voldoende massa waarbij de warmtegeleiding niet te hoog mag oplopen. Door de massiviteit van kerkgebouwen is het een specifieke eigenschap dat deze korte weersfluctuaties dempen. Anders is het gesteld met de lichte industriehal, die onmiddellijk zal reageren op de straling en de zonnewarmte binnenlaat. De industriehal wordt oververhit. Een dynamische warmteweerstand geeft aan in welke mate warmte door een wand gaat ten gevolge van veranderende temperaturen. Hoe groter deze dynamische weerstand, des te kleiner deze warmtestroom en des te kleiner ook de warmteverliezen in de winter. Een kerk heeft dus een grote dynamische weerstand. Uit ondervinding is geweten dat temperatuurverschillen buiten, bijvoorbeeld tussen het middaguur en de avond, aanleiding geven tot duidelijk voelbare temperatuurverschillen in de industriehal. Deze verschillen worden gedempt door de massa van de kerk. Deze eigenschap wordt de temperatuuramplitudodemping genoemd. Een temperatuuramplitudodemping van 15 zorgt, zonder dat verwarming nodig is, dat een temperatuurverschil buiten van 45 C (bvb. 50 C op een donkere gevel s middags en afkoeling tot 5 C s nachts) gedempt wordt tot een fluctuatie van 3 C. De Tim Gavel, Hannes Oppeel 100

101 binnentemperaturen zullen in de kerk dus ook wijzigen, maar gedempt en met een zekere vertraging. Massieve wanden bezitten een thermische traagheid, zodat de stijging van de buitentemperatuur op het middaguur zich met een tijdsverschuiving van tien tot twaalf uur voordoet, wanneer zij niet meer hinderlijk is. Figuur 88: Effect van thermische traagheid op het binnenklimaat [65] Het is mogelijk om in TRNSYS deze traagheid in rekening te brengen door middel van de zogenaamde Wall Timebase. De formules die gebruikt worden zijn gebaseerd op een aantal tijdseries die de muren karakteriseren d.m.v. warmtedoorgangsfuncties en relateren naar een tijdsinterval gelijk aan deze gespecifieerd in de timebase. Deze formules trachten de thermische geschiedenis van de muren te beschrijven waarbij een muur wordt beschouwd als een zwarte doos. Het aantal tijdstappen (k) gerelateerd tot de timebase tonen enerzijds aan dat het al dan niet om een zware muur met een hoge thermische massa (k < 20) gaat en dat anderzijds slechts enkele tijdstappen beschouwd moeten worden om het thermisch gedrag van deze muur te beschrijven. Als de timebase van de beschouwde muur hoger is dan de tijdsconstante, wordt de berekening van warmtedoorgangscoëfficiënten stopgezet. Bijgevolg beveelt ASHRAE waardes tussen 2 en 4 aan voor dikke muren. Aangezien de kerk in Watervliet uit zeer dikke muren opgebouwd is(ongeveer 0.75 m) wordt in het model een waarde van 5 aangenomen om de warmtedoorgangsfuncties te berekenen. Modellering van het huidige verwarmingssysteem Het huidige luchtverwarmingssysteem wordt aan het model toegevoegd zodat een nauwkeurige vergelijking tussen simulatie- en meetresultaten mogelijk wordt. TRNSYS laat toe het systeem op een eenvoudige manier te modelleren d.m.v. een Ventilation in te voegen waarbij het mogelijk is het massadebiet, de absolute vochtigheid en de temperatuur van de toevoerlucht te specifiëren. Uit de simulaties blijkt dat een debiet van 5500 kg/h de beste resultaten oplevert wanneer deze naast de meetdata gelegd worden. Verder wordt een inblaastemperatuur van 21 C gebruikt (zie meetdata) en de absolute vochtigheid van de toevoerlucht wordt gelijk gesteld aan deze van de lucht in de kerk aangezien het systeem gebruik maakt van 100% gerecirculeerde lucht. Het model beschikt echter nog steeds niet over data betreffende het infiltratievoud van de kerk. Uit de case studies van Schellen blijkt dat het infiltratievoud van kerken met een stenen gewelf (zoals ook in Watervliet het geval is) overeenkomt met waardes tussen 0.2 en 0.8 1/h. Daarom wordt in volgende figuren een vergelijking gemaakt tussen deze verschillende waardes om te evalueren welke waarde een binnenklimaat oplevert die het dichtst aanleunt bij het gemeten binnenklimaat. Tim Gavel, Hannes Oppeel 101