Ogrzewanie budynków sakralnych – część II

Wymagany stan cieplny powietrza w budynku sakralnym

Podstawowym zadaniem ogrzewania budynków sakralnych jest uzyskanie komfortu cieplnego w strefach, w których przebywają ludzie. Jedną z nich jest obszar, w którym odbywają się czynności liturgiczne, zajmowany przez prowadzących liturgię i służbę liturgiczną (część prezbiterialna). Inną, większą strefą, jest obszar w którym gromadzą się wierni. Przestrzennie obszarów tych może być kilka i ogólnie mogą ogarniać nawy, chóry, antresole. Rejony te obejmują obszary objętościowe o wysokości 2 m nad podłogą wymienionych stref. Stan mikroklimatu, jaki należy zapewnić w tych strefach, nazywany jest komfortem cieplnym. Jest to stan zadowolenia cieplnego osób przebywających w strefie danego mikroklimatu. Podstawowymi wielkościami charakteryzującymi komfort cieplny są: temperatura i wilgotność powietrza, prędkość ruchu powietrza, temperatura powierzchni otaczających przegród budowlanych. Wpływ na wymagany stan podanych wielkości mogą posiadać przepływy chodnych strug powietrza (zjawisko przeciągu), tworzących się i opadających w dół wzdłuż przykładowo chodnych powierzchni przegród zewnętrznych, a szczególnie ich przeszkleń.

Wszystkie te wielkości są powiązane wzajemnie ze sobą i są zależne od rodzaju ubioru (oporu cieplnego ubioru) osób przebywających w danej strefie. Teoretycznie istnieje również, zaniedbywana jednak tutaj, zależność wymaganego stanu mikroklimatu od postawy osób: siedzącej lub stojącej. Postawa wpływa na przeciętny strumień ciepła wytwarzanego metabolicznie wewnątrz organizmu człowieka (z pewnym zróżnicowaniem zależnym od wzrostu i wagi):: 120 W – osoba siedząca i 130 W – osoba stojąca. Ciepło to musi być odprowadzone z organizmu do otoczenia i odbywa się to w dwóch podstawowych postaciach: ciepła jawnego i ciepła utajonego. Ciepło utajone związane jest z przekazaniem pary wodnej z organizmu do otaczającego powietrza. Ciepło jawne przenoszone jest na skutek różnicy temperatury ciała ludzkiego i otoczenia. Przy wilgotności względnej powietrza (iloraz zawartości bieżącej pary wodnej w powietrzu do zawartości maksymalnej przy danej temperaturze) zbliżonej do 50% i mikroklimacie zbliżonym do stanu komfortu cieplnego strumień ciepła jawnego wynosi: 100 W dla osoby siedzącej i 110 W dla osoby stojącej. Odpowiadający podanym warunkom strumień pary wodnej wydzielany przez jednego człowieka wynosi około: 30 g/h.

Zróżnicowane ubioru prowadzących liturgię i służby liturgicznej oraz wiernych powoduje zróżnicowanie wymagań co do stanu parametrów (temperatury, wilgotności i prędkości powietrza) określających komfort cieplny. W strefie przeznaczonej dla wiernych, ze względu na założone okrycia wierzchnie, pożądanymi parametrami są następujące: temperatura powietrza w strefie (w obszarze przebywania, tj. na wysokości 2 m nad podłogą) t_i – około 12°C, wilgotność względna powietrza φ_i od 30 do 70%, prędkość ruchów powietrza w_i od 0,1 do 0,2 (0,25) m/s. Temperatura wewnętrznej powierzchni przegród otaczających strefę υ_i powinna być zbliżona do temperatury powietrza w strefie t_i. Im niższa jest średnia temperatura wewnętrznych powierzchni υ_i, tym wyższa powinna być temperatura powietrza t_i. Ogólnie można przyjąć, że na każdy 1°C obniżenia temperatury wewnętrznej powierzchni υ_i powinien przypadać 1°C podwyższenia temperatury t_i. Niska temperatura υ_i w stosunku do t_i wynika głównie z obecności przeszkleń w przegrodach zewnętrznych oraz małej izolacyjności cieplnej ścian (np. mur z cegły ceramicznej o grubości około 0,4 m bez warstwy izolacji cieplnej) i stropów, stropodachów obejmujących strefę. Temperatura wewnętrznej powierzchni szyby o grubości 4 mm (w oknie jednoszybowym) może w okresie zimy w ogrzewanym kościele wynosić nawet -5°C (i mniej, około -10°C przy temperaturze zewnętrznej zbliżonej do -20°C).

W przypadku ogrzewania z utrzymywaniem stałej temperatury wewnętrznej w świątyni t_i (t_i =12÷18°C) i przegród wykonanych z materiałów ceramicznych oraz niewielkiej grubości tych przegród temperatura ich wewnętrznej powierzchni może być niższa od temperatury t_i o 4°C do 7°C przy bardzo niskiej temperaturze zewnętrznej. Przy ogrzewaniu ze zmienną temperaturą (w czasie nabożeństw temperatura odpowiadająca komfortowi cieplnemu, w pozostałym czasie temperatura dyżurna: 6 ÷ 8°C) i niskiej izolacyjności cieplnej przegród temperatura wewnętrznej powierzchni ścian zewnętrznych, stropodachów może być niższa od temperatury t_i nawet o 10°C przy bardzo niskiej temperaturze zewnętrznej. Obecność w budynku przegród zewnętrznych o takiej grubości (lub podobnym oporze cieplnym) wiąże się z brakiem wykraplania pary wodnej na wewnętrznej powierzchni tych przegród – wykraplanie może teoretycznie pojawić się jedynie przy bardzo wysokiej wilgotności względnej powietrza wewnętrznego (większej od 70 %) i bardzo niskiej temperaturze zewnętrznej (mniejszej od -17°C). Wilgotność względna powietrza wewnętrznego zbliżona do 70 % w okresie bardzo niskich temperatur zewnętrznych (-15°C i mniej) w warunkach normalnej gęstości wypełnienia świątyni nie występuje, ze względu na bardzo niską zawartość pary wodnej w powietrzu zewnętrznym w okresie głębokiej zimy.

W przypadku ścian ceramicznych o grubości około 0,7 ÷ 0,8 m (bez warstwy izolacji cieplnej) temperatura wewnętrznej powierzchni ściany może być niższa od temperatury powietrza wewnętrznego o około 3÷3,5°C przy bardzo niskiej temperaturze zewnętrznej (-20°C) i stałej temperaturze wewnętrznej, zawartej w przedziale od 12 do 18°C, oraz o około 6°C w przypadku ogrzewania ze zmienną temperaturą wewnętrzną. Temperatura powierzchni szyby okna jednoszybowego niższa od temperatury powietrza wewnętrznego o 4°C do 7°C (zależnie od temperatury t_ii sposobu jej utrzymywania: stała lub zmienna) wiąże się z możliwością wykroplenia pary wodnej na tej powierzchni przy temperaturze zewnętrznej niższej od -3°C (0°C) przy stałej temperaturze t_i=12°C i wilgotności powietrza wewnętrznego równej 50% (t_i=15°C, 50%). W przypadku obecności w otworach okiennych współczesnych okien dwuszybowych zespolonych nie występuje praktycznie nigdy wykraplanie pary wodnej na wewnętrznej powierzchni szyb. Nawiewanie do strefy sąsiadującej z oknami jednoszybowymi powietrza zewnętrznego wentylacyjnego podgrzanego do 12÷15°C umożliwia eliminacje wykraplania pary wodnej na wewnętrznej powierzchni szyb takich okien.

Eliminacja wykraplania pary wodnej na wewnętrznej powierzchni szyb może być osiągnięta również przez instalowanie pod oknami grzejników. Tworzące się nad nimi i wznoszące się do góry strumienie ciepłego powietrza mogą zapobiegać wykraplaniu pary wodnej. Zabiegi te, szczególnie pierwszy, powodują jednak powstawanie stref o niskiej wilgotności powietrza, co, ze względu na obecność w tych strefach określonych przedmiotów (np. drewniane figury), pokryć powierzchni ścian, może być niepożądane. Jeśli w strefie przebywania obserwuje się prędkość w_i wyższą od 0,2 m/s, to zwiększona przez tę nadwyżkę prędkości strata ciepła ludzi do otocznia powinna być zrównoważona przez podwyższenie t_i. Teoretycznie, można również rozważać wpływ wilgotności powietrza φ_i na wymaganą temperaturę t_i. Bardzo niska wilgotność powietrza φ_i wymagałaby kompensacji zwiększonej straty ciepła przez podwyższenie temperatury t_i i odwrotnie. Wilgotność powietrza w strefie przebywania φ_iwynosi zazwyczaj około 50%, a wobec tego nie zachodzi potrzeba korekty wymaganej temperatury t_i ze względu na φ_i. Temperatura powietrza obszaru brzegowego strefy zbliżonego do ścian zewnętrznych powinna być nieco wyższa od temperatury obszaru wewnętrznego strefy. Różnica powinna być tym większa im niższa jest temperatura wewnętrznej powierzchni przegród sąsiadujących (ścian i okien) oraz im intensywniejszy jest napływ do strefy chłodnych strug powietrza opadających wzdłuż tych przegród.

Pozostałe wymogi dotyczące stanu cieplnego powietrza w budynku sakralnym

Rozdział pierwszy tej części artykułu obejmował wymagania dotyczące mi
kroklimatu w budynku sakralnym. Rozdział niniejszy kontynuuje tę problematykę.

W przypadku kościołów drewnianych bardzo ważnym parametrem mikroklimatu wewnętrznego jest wilgotność powietrza (wilgotność względna). Powinna być ona w miarę stabilna, zbliżona do 50%, praktycznie zawarta w zakresie od 30% do 70%. Wilgotność nadmierna powietrza, powodująca zawilgocenie drewna, sprzyja rozwojowi organizmów niszczących drewno, czego wynikiem są grzyby, pleśnie, próchnica itp. Nadmierna wilgotność może przyczynić się również do pęcznienia drewna wywołującego jego odkształcenia. Z niewielką wilgotnością związane jest wysychanie drewna. Następstwem wysychania jest powstawanie pęknięć, rozwarstwień drewna. Towarzyszyć temu może niszczenie warstw pokrywających drewno.

Ze względu na wykraplanie pary wodnej zawartej w powietrzu wewnętrznym na powierzchni ścian i przedmiotów wewnętrznych istotna jest również prędkość zmian temperatury wewnętrznej. Unikanie wykraplania pary wodnej na powierzchniach wymagana odpowiedniej nadążności zmiany temperatury powierzchni za zmianą temperatury powietrza wewnętrznego. Prędkość zmiany temperatury powierzchni zależy głównie od rodzaju materiału (jego przewodności i pojemności cieplnej) oraz intensywności omywania powierzchni (prędkości ruchu powietrza wzdłuż powierzchni) przez powietrze wewnętrzne. W przypadku materiałów o małej gęstości i słabo przewodzących ciepło temperatura powierzchniowa dość szybko nadąża za zmianą temperatury powietrza otaczającego i możliwość wykroplenia pary wodnej na powierzchniach jest niewielka. Jeżeli jednak materiały, które otacza powietrze wewnętrzne, posiadają dużą gęstość oraz dobrze przewodzą ciepło, to powstaje duża różnica temperatury między temperaturą powierzchniową a temperaturą podgrzanego powietrza wewnętrznego. Na skutek tego wzrastająca wilgotność powietrza wewnętrznego, wywołana zyskiem pary wodnej od osób przebywających w świątyni, może spowodować wykroplenie pary wodnej na powierzchniach ścian lub przedmiotów w okresie niskiej temperatury zewnętrznej. Jeśli czas utrzymywania podwyższonej temperatury wewnętrznej (czas właściwego ogrzewania) nie był zbyt długi, a po nim następuje schładzania powietrza wewnętrznego (spowodowane wyłączeniem ogrzewania lub jego osłabieniem) przy jednoczesnym braku intensywnego odprowadzenia pary wodnej (brak wentylacji), wówczas niska temperatura powierzchni może przyczynić się także do powierzchniowego wykraplania pary wodnej. Tworzące się zmiany temperatury w przedmiotach wpływają również na migrację wilgoci w materiałach higroskopijnych nakładającą się na ruch wilgoci wewnętrznej spowodowany zmianą zawartości wilgotności powietrza otaczającego. Powstające wewnątrz przedmiotów higroskopijnych zróżnicowanie wilgotności pociąga za sobą również naprężenia wewnętrzne. W związku z tym zmiany temperatury powietrza wewnętrznego nie mogą być dowolne. Zakłada się, że prędkość tych zmian nie powinna przekraczać 1÷2°C.

W strefie prezbiterium temperatura powietrza powinna wynosić około 18 ÷ 20°C z powodu braku odzieży wierzchniej osób przebywających w tej strefie. Im większy jest udział wewnętrznej powierzchni ścian, okien, stropu, stropodachu w stosunku do objętości obszaru przebywania tej strefy, tym wyższa powinna być jego temperatura powietrza. Pozostałe wielkości precyzujące stan komfortu cieplnego lub zasady ich określające pokrywają się w większości z podanymi dla strefy wiernych.

Jedna z różnic może wynikać z wilgotności powietrza w tych strefach, a szczególnie w obszarze wewnętrznym strefy wiernych i prezbiterium. Powodem jest odmienna liczba osób w stosunku do powierzchni strefy. Inna różnica może być spowodowana intensywnością ruchów powietrza w strefach.

W strefie siedzenia osoby grającej na organach oraz strefach zajmowanych przez chór, scholę, orkiestrę, ale również zakrystii wymagany mikroklimat powinien być zbliżony do mikroklimatu prezbiterium. Osoby przebywające w tych strefach są bowiem bez okryć wierzchnich.

W wydzielonych kaplicach należy dążyć do stanu powietrza takiego jak w strefie zajmowanej przez wiernych.

W zawartych w obrębie budynku świątyni ewentualnych salach zebrań, salkach katechetycznych w czasie ich użytkowania temperatura, wilgotność względna powietrza, średnia prędkość ruchów powietrza w obszarze przebywania powinny wynosić: 18÷22°C (zależnie od rodzaju ogrzewania, stopnia przeszklenia ścian i ich izolacyjności cieplnej, rodzaju okien), 30÷70% i 0,1÷0,2 m/s.

Wymagana temperatura powietrza w poszczególnych strefach zależy równię od sposobu dostarczania ciepłą do tych stref (rodzaju ogrzewania). W przypadku ogrzewania podłogowego (ale również elektrycznego ławkowego) lub z wykorzystaniem zawieszonych nad strefą promienników wymagana temperatura powietrza warunkująca komfort cieplny może być niższa (o około 1÷3°C) od podanych dla poszczególnych stref.

Rozpatrując stan cieplny powietrza pod kątem komfortu cieplnego należy zaznaczyć, że indywidualne właściwości grupy osób przebywających w obrębie mikroklimatu o określonym stanie, wywołują różny odbiór stanu tego mikroklimatu przez poszczególne osoby. Wynikiem tego jest trudność ustalenia takiego stanu podstawowych wielkości określających to środowisko, aby pożądany stan cieplny (komfort cieplny) obejmował (zadawalał w jednakowym stopniu) wszystkie osoby grupy. Z licznych badań wynika, że jeśli liczebność grupy jest odpowiednio duża, to co najmniej 5% osób nie uważa mikroklimatu odpowiadającego komfortowi cieplnemu za komfortowy.

Na wymagania dotyczące komfortu cieplnego nakładają się jeszcze wymagania dotyczące czystości powietrza. Podstawowym składnikiem, który należy tu obserwować, jest stężenie dwutlenku węgla. Jego głównym źródłem w tych strefach są ludzie. Stężenie dwutlenku węgla w powietrzu strefy przebywania ludzi jest zależne do funkcjonowania i intensywności wentylacji. Właściwe działanie wentylacji powinno wieść do odprowadzania ze strefy (i usuwania na zewnątrz budynku) emitowanego dwutlenku węgla i pary wodnej (oraz innych zanieczyszczeń gazowych i pyłowych) oraz do dostarczania do strefy powietrza świeżego, niosącego nowe porcje tlenu, wyrównujące zużywany na skutek oddychania (ale i palenia) ubytek tlenu. Według krajowych przepisów strumień powietrza świeżego (zewnętrznego), jaki należy doprowadzić do wentylowanego pomieszczenia wynosi 20 m³ na 1 osobę w ciągu godziny. Ze względu na okresowy pobyt wiernych w świątyni (około 1h) i przerwy występujące między kolejnymi nabożeństwami (zazwyczaj około 0,5) i prowadzone wietrzenie w czasie przerwy, można przyjąć, że wystarczający strumień powietrza wentylacyjnego zewnętrznego można zredukować nawet do połowy podanej wartości. Strumień powietrza wentylacyjnego zewnętrznego podawany często jako liczba wymian powietrza w ciągu godziny n_w. Liczba wymian n_winformuje o tym jaka część powietrza wewnętrznego w wentylowanym pomieszczeniu jest w ciągu godziny zastępowana powietrzem wentylacyjnym zewnętrznym. Dla świątyń często podaje się, że liczba n_w powinna wynosić od 0,5 do 1,0/h. Ze względu na niską wilgotność bezwzględną powietrza zewnętrznego w czasie zimy (duża zdolność pochłaniania pary wodnej wydzielającej się w pomieszczeniu bez wzrostu wilgotność względnej powietrza wewnętrznego do dużej wartości) i konieczność nie przekroczenia w dół wilgotności względnej powietrza wewnętrznego 40÷45% właściwą dla okresu niskiej temperatury zewnętrznej wydaje się być również liczba n_w=0,3/h. Jeśli przyrost bezwzględny wilgotności powietrza nie przekracza 3,0 g w stosunku do 1 m³ powietrza wewnętrznego, to przy strumieniu powietrza wentylacyjnego od powiadającego n_w=0,3/h wilgotność powietrza wewnętrznego w czasie Mszy Świętej niedzielnej dla typowego kościoła nie przekroczy 45÷50%. Zazwyczaj prowadzi to również do akceptowanej czystości powietrza.

Wymagany stan mikroklimatu poszczególnych stref jest zależny od architektury zewnętrznej i wewnętrznej konkretnego budynku, jego cech budowlanych, przyjętego programu użytkowaniu obiektu, istniejącej lub zakładanej do stosowania instalacji grzewczej i wentylacyjnej w budynku.

Nie spełnienie odpowiednich wymagań dotyczących mikroklimatu w strefach, w których przebywają ludzie, wywołuje różne dolegliwości utrudniające ‘właściwe’ uczestnictwo we Mszach Świętych, nabożeństwach i innych formach czynności przynależnych budynkowi sakralnemu: pocenie się na skutek zbyt dużej wilgotności względnej powietrza, kłopoty związane ze skupieniem na skutek zbyt niskiej temperatury itd. aż po pewne postaci omdleń wywołanych niedostateczną zawartością tlenu w powietrzu.

W strefie zajmowanej przez organy należy zapewnić mikroklimat odpowiedni dla zainstalowanego rodzaju instrumentu. Podstawowe wymagania związane są ze pożądanym stanem powietrza w obszarze zainstalowania piszczałek. Zmiany temperatury wywołują zmiany długości piszczałek metalowych a zmiany wilgotności wpływają na piszczałki drewniane. Ze zmianą temperatury powietrza związana jest zmiana prędkości rozchodzenia fal głosowych, na skutek czego zmienia się wysokość głosu. Wszystko to powoduje zmianę tonu wywoływanego przez piszczałki. Wobec tego można ogólnie sformułować następujące warunki dotyczące mikroklimatu w obszarze zainstalowana organów:

– temperatura powinna być stosunkowo stabilna i zbliżona do temperatury strojenia instrumentu. Akceptowany zakres zmian może być przyjęty jako temperatura zawarta w granicach od 8°C (czas przerwy – miedzy nabożeństwami) do 15°C (czas sprawowania nabożeństw), z nieprzekraczalną prędkością jej zmiany 2°C/godzinę,

– w przypadku piszczałek drewnianych wilgotność względna powietrza w ich strefie powinna być nie mniejsza od 45% i nie większa od 75%,

– w strefie zajmowanej przez osobę grającą na organach temperatura powinna być zawarta w granicach od 8°C (czas przerwy – miedzy nabożeństwami) do 18°C (czas sprawowania nabożeństw), a wilgotność względna powietrza zawarta w zakresie od 40 do 70% .

Dokładniej sprawę mikroklimatu w obszarze organów omawia oddzielny artykuł.

W strefach poza wymienionymi, w obszarach nie zajmowanych przez ludzi, temperatura powietrza powinna być jak najniższa w celu obniżenia strat ciepła całego budynku i zmniejszenia kosztów ogrzewania.

Jednoczesne spełnienie wymagań dotyczących mikroklimatu wewnętrznego poszczególnych stref kościoła jest trudne, głównie ze względu na koszty inwestycyjne instalacji grzewczych i wentylacyjnych umożliwiających uzyskanie w pełni wymaganego stanu cieplnego i wilgotnościowego stref. Wobec tego zazwyczaj realizowane jest rozwiązanie kompromisowe uwzględniające możliwości zabudowy i rozsądny koszt inwestycyjny instalacji a także koszt jej działania (zużycia paliwa, energii elektrycznej) oraz wymagany stan cieplny stref uznanych za główne.