THERMISCH COMFORT VAN TUFSTENEN LEEFRUIMTES IN CAPPADOCIË

Transcriptie

1 THERMISCH COMFORT VAN TUFSTENEN LEEFRUIMTES IN CAPPADOCIË Petra Briggen en Lisje Schellen, Technische Universiteit Eindhoven, unit Building Physics and Systems Binnen dit onderzoek is het thermisch comfort van onder- en bovengrondse tufsteen leefruimtes in Cappadocië in kaart gebracht. Het thermisch comfort is beoordeeld aan de hand van de PMV-methode van Fanger. Hierbij is een onderscheid gemaakt tussen de functie die de ruimtes vroeger dienden en het gebruik van de ruimtes in deze tijd. Uit de resultaten blijkt dat het aanbrengen van kleden op de vloer en op de binnenwanden van een tufstenen ruimte een positief effect heeft op het thermisch comfort van deze ruimte. Voor de leefruimte in de ondergrondse stad is een kledingadvies opgesteld. Als bezoekers dit kledingadvies opvolgen, zal het klimaat in de stad als neutraal beoordeeld worden. INLEIDING Vele vulkanische uitbarstingen liggen ten grondslag aan het ontstaan van het landschap van Cappadocië. De as, modder en lava die bij deze uitbarstingen in het laat miyocenische tijdperk (tien miljoen jaar geleden) afgezet werden, veranderden door contact met de lucht in zachte turfsteenformaties [1]. Door miljoenen jaren erosie is het landschap bijgeslepen tot het nu typerende feeërieke landschap van Cappadocië. Cappadocië heeft in de loop der eeuwen vele verschillende bevolkingen gekend. Al in de prehistorie werd de gestolde lava gewonnen en werden de markante tufsteenkegels uitgehakt tot woningen. Later in de geschiedenis werden uit het tufsteen ook kerken en kloosters gehouwen. Figuur 1: Bovengrondse woning met aanpassingen BOUWFYSICA, VOL. 20, 2007, NO. 1 Tevens zijn er in Cappadocië vele ondergrondse steden uitgehakt in het zachte tufsteen. De eerste ondergrondse steden dateren uit de 4e eeuw voor Christus. De steden dienden als toevluchtsoord voor de bevolking in tijden van gevaar. In rotszalen diep onder de grond konden grote molenstenen voor de ingangen worden gerold om aanvallers buiten te houden. In tijden van gevaar werden de ondergrondse steden voor langere tijd in gebruik genomen. Het doel van het verrichte onderzoek was om inzicht te verkrijgen in het thermisch comfort van de ondergrondse en bovengrondse tufsteen leefruimtes. ONDERZOEKSLOCATIES Het thermisch comfort is op drie verschillende locaties onderzocht. De eerste locatie is een bovengrondse tufsteen woning waarin aanpassingen zijn gedaan ter verbetering van het binnenklimaat (zie figuur 1). Deze woning beschikt over een kachel om tijdens de koude winters van Cappadocië de woonkamer te verwarmen. Daarnaast zijn er tapijten aan de wanden gehangen en op de vloer gelegd om ondermeer de warmte binnen te houden en om de oppervlaktetemperaturen te verhogen. Figuur 2: Mirror Church 23

2 Tabel 1: Waardering van de PMV PMV Beoordeling +3 Heet +2 Warm +1 Lichtelijk warm 0 Neutraal -1 Lichtelijk koel -2 Koel -3 Koud Figuur 3: Bruidssuite Derinkuyu De tweede locatie betreft een bovengrondse tufsteen leefruimte in originele staat, zonder aanpassingen ter verbetering van het binnenklimaat. Een kleinere ruimte van de Mirror Church te Göreme doet dienst als tweede onderzoekslocatie (zie figuur 2). De twee bovengrondse leefruimtes zijn onderzocht om de invloed van de aanpassingen ter verbetering van het binnenklimaat te kunnen beoordelen. Door de bovengenoemde onderzoekslocaties met elkaar te vergelijken, kan de invloed van de aanpassingen ter verbetering van het thermisch comfort bepaald worden. Een verblijfsruimte in de ondergrondse stad Derinkuyu is gekozen als derde en laatste onderzoekslocatie. De ruimtes in deze stad kenden vaak meerdere functies, derhalve zijn er geen verblijfsruimtes in de stad te vinden. In tijden van gevaar sliep de bevolking op dierenhuiden op de vloer in voorraadruimtes, stallen, kerken en in gangen. De enige ruimte in Derinkuyu die primair gebruikt werd als verblijfsruimte is de bruidssuite (zie figuur 3). ONDERZOEKSMETHODE kwantitatieve voorspelling van het aantal personen dat zich ten aanzien van het algemene comfort onbehaaglijk zal voelen. Conform de richtlijnen van de Rijksgebouwendienst strekken de grenzen van het comfortgebied zich uit van een PMV van -0,5 tot +0,5. Bij de grenzen van dit comfortgebied bedraagt de PPD maximaal 10%, wat als goed wordt gedefinieerd [3]. Metingen Om de PMV en de PPD aan de hand van de beschreven methode te kunnen berekenen, worden op de drie onderzoekslocaties verschillende metingen verricht. Dit betreft metingen ter bepaling van de luchttemperatuur, luchtsnelheid, stralingstemperatuur en relatieve vochtigheid (zie figuur 4). Ook wordt op elke locatie de buitentemperatuur en de relatieve luchtvochtigheid buiten gemeten. Daarnaast wordt op locatie 1 en op locatie 3 de oppervlaktetemperatuur gemeten. Aan de hand van deze meting kan bepaald worden of er sprake is van oppervlaktecondensatie. Indien dit het geval is, zou de luchtkwaliteit in de ruimtes verslechterd kunnen worden door schimmelvorming op de wanden. Om het thermisch comfort van de drie onderzoekslocaties te kunnen beoordelen wordt er gekeken hoe het binnenklimaat beoordeeld zou worden naar maatstaven van deze tijd. Hiervoor kan er gebruik gemaakt worden van de PMV (Predicted Mean Vote) methode. Dit model combineert vier omgevingsparameters (luchttemperatuur, luchtsnelheid, stralingstemperatuur en relatieve luchtvochtigheid) en twee persoonlijke parameters (metabolisme en kledingweerstand) in een index die gebruikt kan worden om een voorspelling te doen van het thermische binnenklimaat. Deze index correspondeert met de zeven-puntsschaal uit ISO 7730 (zie tabel 1) en vertegenwoordigt de gemiddelde thermische gewaarwording van een grote groep mensen in een bepaalde ruimte [2]. Met deze methode kan de subjectieve beleving van het binnenklimaat objectief beoordeeld worden. Het percentage ontevreden personen wordt aangegeven met de PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) en geeft een 24 Figuur 4: Meetapparatuur in Derinkuyu BOUWFYSICA, VOL. 20, 2007, NO. 1

3 Alle metingen zijn verricht in de periode van 27 maart tot 2 april Omdat dit geen periode is met extremen in het buitenklimaat kan slechts voor de gemeten periode een uitspraak gedaan worden over het thermische comfort van de onderzoekslocaties. Het binnenklimaat in de ondergrondse stad is vrij constant, dit komt door de constante grondtemperatuur 70cm onder maaiveld. De conclusies met betrekking tot het thermisch comfort van de bruidssuite in Derinkuyu die naar aanleiding van de metingen getrokken kunnen worden gelden dan ook voor het hele jaar. RESULTATEN PMV en PPD Locatie 1: Bovengrondse woning met aanpassingen Bij de berekening van de PMV is voor het metabolisme van de bewoners een waarde van 70 W/m 2 aangehouden. Deze waarde komt overeen met het activiteitenniveau rustig staan [4]. Voor de kledingweerstand wordt met een waarde van 0,7 gerekend. Een kledingweerstand met een waarde van 1 komt overeen met de warmteweerstand van een driedelig pak. De PMV in de bovengrondse woning met aanpassingen ligt s nachts lager dan overdag (zie figuur 6). Om 17.00u neemt de PMV af tot een minimum waarde van -1,7. Vanaf 8.00u neemt de PMV weer toe tot een waarde van -0,3 in de middag. Omdat de bewoners alleen tussen 9.00u en 21.00u in de ruimte verblijven, is de PMV slechts in deze periode bepaald. De PMV heeft in deze periode een gemiddelde waarde van -0,5. Daarmee wordt het klimaat in de woonkamer als neutraal tot lichtelijk koel beoordeeld. Deze beoordeling valt binnen de comfortgrenzen die zijn opgesteld door de Rijksgebouwendienst [3]. Overdag zou in deze woonkamer 88% van de aanwezigen tevreden zijn over het thermisch comfort. Figuur 6: PMV en PPD van bovengrondse woning met aanpassingen Figuur 7: Binnentemperatuur in de Mirror Church Figuur 5: Binnentemperatuur in bovengrondse woning met aanpassingen Locatie 2: Bovengrondse woning zonder aanpassingen (Mirror Church) De PMV is voor deze onderzoekslocatie in twee situaties bepaald (zie figuur 8): de situatie waarin in de kerk diensten gehouden werden en de situatie van nu, waarin bezoekers de kerk bezichtigen. In beide situaties is de Mirror Church s nachts niet toegankelijk geweest voor bezoekers. Het thermisch comfort op deze locatie is om deze reden slechts bepaald tussen 9.00u en 17.00u. De binnentemperaturen in de kerk zijn door de jaren heen niet veranderd, in de kerk zijn er geen aanpassingen gedaan om het binnenklimaat behaaglijker te maken (zie figuur 7). Figuur 8: PMV en PPD van de Mirror Church Wel is er een verschil in het metabolisme van de bezoekers in de twee situaties. Voor de situatie van vroeger is er voor de berekening van de PMV een waarde van 70 W/m 2 aangehouden, voor de huidige situatie is er met een waarde van 93 W/m 2 gerekend. Deze waarden komen respectievelijk overeen met de activiteitenniveau s rustig staan en ontspannen lopen [4]. Voor de kledingweerstand wordt voor de situ- BOUWFYSICA, VOL. 20, 2007, NO. 1 25

4 atie van vroeger gerekend met een waarde van 1,1. Tegenwoordig dragen de bezoekers minder dikke kleding, in de periode dat de metingen zijn verricht wordt de kledingweerstand geschat op 0,7. De PMV voor de situatie van vroeger heeft een gemiddelde waarde van -2,5 tussen 9.00u en 17.00u. Het klimaat in de kerk zou naar maatstaven van deze tijd als koel tot koud beoordeeld kunnen worden. Uit de waarde van de PPD blijkt dat in deze situatie slechts 8% van de bezoekers tevreden zou zijn over het binnenklimaat. Bij de huidige situatie in de Mirror Church hoort een PMV met een gemiddelde waarde van -2,2. Het klimaat wordt in deze situatie beter beoordeeld, maar het klimaat wordt nog steeds koel gevonden. Ongeveer 86% van de bezoekers zou in deze situatie nog steeds niet tevreden zijn over het binnenklimaat. Locatie 3: Leefruimte in de ondergrondse stad (Bruidssuite in Derinkuyu) Ook voor deze onderzoekslocatie is een onderscheid gemaakt tussen de situatie van vroeger waarin de ondergrondse stad bewoond werd, en de situatie nu, waarin bezoekers rondgeleid worden in de stad. Voor de situatie van vroeger is het thermische comfort tussen 7.00u en 23.00u bepaald. Omdat de waarde voor de kledingweerstand s nachts afhankelijk is van hetgeen waaronder geslapen werd, kan voor die situatie geen uitspraak gedaan worden over het thermisch comfort. Overdag was de bevolking bezig met het uitbreiden van de stad door nieuwe ruimtes uit te graven. Voor deze situatie is gerekend Figuur 9: Binnentemperatuur in Derinkuyu Figuur 11: Grafiek ter bepaling van de dauwpuntstemperatuur met een metabolisme van 116 W/m 2, dit geldt voor middelzware arbeid [4]. De PMV varieert tussen de -1,3 en de -0,6 met een gemiddelde waarde van -1,2 (zie figuur 10). Hiermee wordt het klimaat in deze tijd voor die situatie als lichtelijk koel beoordeeld. In Derinkuyu zou 34% van de bewoners overdag ontevreden zijn over het thermisch comfort. Voor de beoordeling van het binnenklimaat in deze tijd is er een onderscheid gemaakt tussen de zomer en de winter. Dit onderscheid is gemaakt omdat de bezoekers in de zomer minder dikke kleding dragen dan in de winter. Voor de kledingweerstand wordt in de zomer een waarde van 0,5 aangehouden en in de winter een waarde van 0,9. Ook in deze situatie is gerekend met een metabolisme van 116 W/m 2. De nacht is in de berekening van de PMV en de PPD voor de huidige situatie niet meegenomen, omdat de ondergrondse stad van 18.00u tot 7.00u haar deuren sluit. In de bruidssuite wordt het klimaat in de winter met een gemiddelde PMV van -1,5 als lichtelijk koel tot koel beoordeeld. Ongeveer de helft van de bezoekers zou in de winter niet tevreden zijn over dit klimaat. De toeristen die in de zomer Derinkuyu bezoeken zullen het klimaat in de ondergrondse stad als koel tot koud beschouwen met een gemiddelde PMV van -2,5. In die situatie bedraagt de PPD 96% (zie figuur 10). Schimmelvorming Oppervlaktecondensatie ontstaat als de oppervlakte-temperatuur beneden de dauwpuntstemperatuur (T dauw ) daalt. T dauw kan bepaald worden aan de hand van figuur 11. In de grafiek is de verzadigde dampspanning (P sat ) als functie van de temperatuur uitgezet. De heersende dampspanning (P d ) kan berekend worden met behulp van formule 1. Als P d bekend is, kan T dauw bepaald worden door vanuit het snijpunt met de curve een verticale lijn naar beneden te trekken. Op het punt waar deze verticale lijn de x-as snijdt is de dauwpuntstemperatuur af te lezen. Figuur 10: PMV en PPD van Derinkuyu 26 BOUWFYSICA, VOL. 20, 2007, NO. 1

5 RV i P d =. P sat (T i ) [Pa] (1) 100 Waarin geldt: P d = de heersende dampspanning binnen [Pa] T i = de binnenluchttemperatuur [ C] RV i = de relatieve vochtigheid binnen [%] P sat (T i ) = de maximale dampspanning bij de heersende luchttemperatuur [Pa] Wanneer de relatieve vochtigheid aan het oppervlak gedurende langere perioden hoger dan 80% is, bestaat er een reële kans op schimmelvorming. In Derinkuyu is dat het geval en er kan geconcludeerd worden dat er kans op schimmelvorming aanwezig is. In Derinkuyu is er gedurende de gehele meetperiode oppervlaktecondensatie opgetreden (zie figuur 12). In de bovengrondse woning met aanpassingen is er gedurende de hele meetperiode geen schimmelvorming opgetreden op de binnenoppervlakken (zie figuur 13). CONCLUSIE Een overzicht van de beoordelingen van het thermisch comfort naar maatstaven van deze tijd zijn per onderzoekslocatie weergegeven in tabel 2 tot en met 4. Tabel 2: Thermische beoordeling bovengrondse woning met aanpassingen (locatie 1) Situatie PMV PPD Overdag [9.00u 21.00u] -0,5 11,8% Tabel 3: Thermische beoordeling Mirror Church (locatie 2) Situatie PMV PPD Vroeger [9.00u 17.00u] -2,5 92,2% Nu [9.00u 17.00u] -2,2 85,8% Tabel 4: Thermische beoordeling Derinkuyu (locatie 3) Situatie PMV PPD Vroeger overdag -1,2 34,2% Nu winter [clo=0,9] -1,5 53,0% Nu zomer [clo=0,5] -2,5 95,6% Nu met clo=1,7-0,5 7,8% Figuur 12: Oppervlaktecondensatie in Derinkuyu Figuur 13: Oppervlaktecondensatie in de bovengrondse woning met aanpassingen Uit een vergelijking van tabel 2 en 3 blijkt dat de aanpassingen een positief effect hebben op het thermisch comfort in de tufstenen leefruimtes. De PMV in de Mirror Church heeft tussen 9.00u en 17.00u een gemiddelde waarde van -2,2. Hiermee wordt het binnenklimaat in de gemeten periode als koel beoordeeld. De PMV in de bovengrondse woning met aanpassingen heeft tussen 9.00u en 21.00u een gemiddelde waarde van -0,5. Door de aanpassingen die in de woning zijn gedaan, wordt het klimaat beoordeeld als neutraal tot lichtelijk koel. De waarden van de PMV vallen in die situatie binnen de comfortgrenzen die zijn opgesteld door de Rijksgebouwendienst. Het klimaat in de ondergrondse stad wordt niet sterk beïnvloed door het buitenklimaat. Daarom heerst er gedurende het jaar een vrij constante binnentemperatuur in de stad. Voor de ondergrondse leefruimte is er onderzocht welke kledingweerstand gerealiseerd moet worden om ervoor te zorgen dat de bezoekers van Derinkuyu gedurende het hele jaar tevreden zullen zijn over het klimaat (PMV tussen -0,5 en 0,5). Hierbij is gerekend met een metabolisme van 116 W/m 2. Bij een kledingweerstand van 1,7 zal slechts 8% van de bezoekers ontevreden zijn over het klimaat. Om deze BOUWFYSICA, VOL. 20, 2007, NO. 1 27

6 kledingweerstand te bereiken is er een kledingadvies opgesteld: bezoekers zouden een boxershort, T-shirt, blouse met lange mouwen, dikke trui, normale broek, parka, lange dikke sokken en schoenen met dikke zolen moeten dragen. Wanneer men dit kledingadvies opvolgt, zal het klimaat in de ondergrondse leefruimte met een PMV van -0,5 als comfortabel beoordeeld worden. LITERATUURLIJST [1] Gülyaz, M.E., Ölmez, I., Cappadocia, Turizm Tekstil, Istanbul, 2005 [2] ISO 7730, Moderate thermal environments Determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort, Zwitserland, 1994 [3] RGD / Bouwfysische kwaliteit Rijkshuisvesting, 1999 [4] ASHRAE, Fundamentals, Atlanta, 2005 [5] Shramek, E.R., Recknagel-Sprenger-Schramek - Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik, BOUWFYSICA, VOL. 20, 2007, NO. 1