Get 20M+ Full-Text Papers For Less Than $1.50/day. Start a 14-Day Trial for You or Your Team.

Learn More →

Experimental Study of Thermal and Humidity Conditions in a Historic Wooden Building in Southern Poland

Experimental Study of Thermal and Humidity Conditions in a Historic Wooden Building in Southern... Article  Experimental Study of Thermal and Humidity  Conditions in a Historic Wooden Building in  Southern Poland  Grzegorz Nawalany, Paweł Sokołowski * and Małgorzata Michalik  Department of Rural Building, Faculty of Environmental Engineering, University of Agriculture in Krakow,  al. Mickiewicza 24/28, 30‐059 Krakow, Poland; grzegorz.nawalany@urk.edu.pl (G.N.);  malgoska.mich@onet.eu (M.M.)  *  Correspondence: pawel.sokolowski@urk.edu.pl; Tel.: +48‐12‐662‐41‐31  Received: 28 May 2020; Accepted: 22 June 2020; Published: 30 June 2020  Abstract:  This  article  presents  experimental  research  on  hygrothermal  conditions  in  a  historic  wooden church in southern Poland. The scope of the research included the continuous monitoring  of  temperature  and  relative  humidity  in  several  measuring  plots  in  different  areas  inside  and  outside of the church. We also continuously monitored the number of people attending services.  This study presents a detailed analysis of the development of heat and humidity conditions within  the  church.  A  model  of  the  object  was  developed,  and  a  computational  analysis  of  the  risk  of  condensation of water vapor on the inner surface of the partitions was carried out. An analysis of  the results showed a large variation in the temperature and humidity conditions in the church. The  internal temperature ranged from −9.7 to 25.9 °C, and the relative humidity of the indoor air ranged  from 45.6% to 91.6%. The test results showed that the temperature and humidity of the indoor air  periodically exceeded the accepted values of thermal comfort for historic buildings. The analysis of  the  obtained  research  results  showed  that  the  humidity  and  humidity  conditions  in  the  church  mainly  depend  on  the  climatic  zone  and  the  number  of  people  participating  in  the  services.  Moreover, an analysis of the results showed no risk of condensation on the wooden partitions of the  church, but it should be noted that the temperature of the partitions was subject to rapid fluctuations  (from −8.0 to 24.6 °C), which may have a negative impact on these historic wooden objects.  Keywords: hygrothermal conditions; thermal comfort; condensation of water vapor in partitions;  wooden buildings; religious buildings  1. Introduction  Because  they  are  a  source  of  knowledge  about  the  historical  architecture  of  the  world  and  particular  regions,  churches  are  an  essential  part  of  culture.  Many  of  them  contain  valuable  monuments, starting from their architectural plan (which is evidence of structural and aesthetical  trends in a given period), as well as other components such as polychromes on the walls and vaults,  altars, sculptures, paintings, floors, and organs, among many other features. The deterioration of such  objects constitutes an irreversible loss of a piece of cultural heritage. The most important factor that  allows us to keep the aforementioned artefacts in good condition is an appropriate microclimate. The  specific  functions  performed  by  historic  buildings  determine  the instability  and  inequality of  the  number of people inside them. The thermal and  humidity conditions inside a church are mainly  influenced by the variability of the outdoor conditions, the cubic volume of the church, the material  and structural solutions in the building envelope, and the heating and ventilation systems. In their  studies, Wolski and Jelec [1] pointed out that zones of differentiated thermal and humidity conditions  Buildings 2020, 10, 118; doi:10.3390/buildings10070118  www.mdpi.com/journal/buildings  Buildings 2020, 10, 118  2  of  16  can be distinguished in churches. It should also be noted that many historic wooden churches in  Poland are unheated or are heated cyclically.  BrataszandKozłowski [2], in their studies at the Church of Santa Maria Maddalena Rocca Pietore,  investigating the response of wooden sculptured parts to temperature and relative humidity changes,  concluded that temperature changes rapidly affect all materials in a structure, while the response of  wooden objects to relative humidity changes is much slower. Each painted wooden object with its  individual original structure and conservation history is acclimatized to the environment it has been  exposed  to.  Such  objects  need  individual  levels  of  temperature  and  relative  humidity.  Scientific  studies,  however,  have  indicated  that  50  ±  15%  relative  humidity  fluctuations  are  safe  [3].Rapid  changes in the temperature and relative humidity of the indoor air can lead to the deterioration of  polychromes, sculptures, and even the structure of a church.  Studies by Camuffo et al. [4] indicated that church heating can cause problems—periodic relative  humidity drops  cause the drying and shrinkage  of objects with low thermal inertia. In  unheated  churches, the  dominant  problem  is  mold,  which  is mainly  caused  by  moisture.  The  risk  of  mold  occurrence is much lower in heated churches than in unheated ones [5]. The modernization of historic  buildings with collections should take not only the requirements of the collection but also possible  conflicts with the thermal comfort of people and the hazards related to the structural materials into  account [6]. In various ways, heating systems satisfy certain needs in terms of the conservation of  church interiors and the thermal comfort of the people inside. However, thermal comfort and the  preservation of monuments have different microclimate requirements [7].  Interest in historic buildings is growing. The goals of studying historic buildings are varied, but  the most popular aim is to improve the energy efficiency and thermal comfort in historic buildings  [8]. In their studies, Sempriniet al. [9] focused on the reuse of an ancient church as an exhibition hall  or  an  auditorium.  Church  microclimates,  inter  alia,  were  also  studied  by  Silva  et  al.  [10]  in  a  monastery in Lisbon, by Wach and Miczyński [11] in a church in Dębno Podhalańskie, and by Varas‐ Muriel et al. [12] in a church in Madrid. An analysis of the existing literature showed that researchers  mainly  deal  with  objects  inside  historic  buildings  in  which  the  microclimate  of  the  interior  is  controlled. However, there are many historic buildings that are unheated, where the microclimate of  the interior is not monitored. Rapid fluctuations in the temperature and relative humidity of the air  can have a destructive effect on the antique polychromes and works of the art inside.  Numerical models are increasingly used in interior microclimate studies of buildings [13–15]. In  the case of unheated objects without active systems, it is not possible to counteract the occurrence of  adverse hygrothermal conditions. In the case of historic buildings, this can lead to irreparable damage  to  paintings,  sculptures,  polychromes,  and  other  valuable  elements  inside  the  building  [13].  Numerical  methods  can  be  used,  among  others,  for  anon‐stationary  analysis  of  the  variability  of  selected  physical  parameters,  such  as  humidity  and  temperature,  as  well  as  for  estimating  the  biological  risk  in  the  event  of  condensation  [16–18].  There  are  numerous  simulation  tools  for  modeling supportive solutions. Building energy simulation (BES) can be performed using more than  200 calculation tools. The modeling of historical buildings is a particularly difficult area. This is very  important  for  ensuring  the  continuity  of  test  results  that  are  used  later  in  the  validation  of  computational models. Generating a building model often requires the integration of straight and  curved surfaces into a series of flat surfaces to meet software requirements. In addition, compounds  such as rainwater pollution, wind, and other atmospheric processes that are heavily dependent on  the model are also included. It is very important to become familiar with the technical parameters of  the partitions and their humidity, because these factor shave a significant impact on conclusions. In  modeling assumptions, it is extremely difficult to combine ventilation and infiltration in a building  that is heterogeneous and variable overtime. For tall buildings (over 3 m), a vertical temperature  gradient should also be considered [19].  In this paper, the authors chose a non‐heated wooden church in which services are held several  times a year. The purpose of the research was to determine the temperature and humidity conditions  prevailing  in  the  church,  including  those  at  which  there  may  be  a  threat  to  the  exhibits  and  the  possible destruction of the wooden structure of the church.    Buildings 2020, 10, 118  3  of  16  2. Materials and Methods  2.1. The Research Object  The studies were conducted in a wooden church erected in 1555 in the village of Ptaszkowa in  southern Poland. The interlocked corner log structure building is boarded on the outside (Figure 1).   with a single nave. The square, post‐ The church was built in the Gothic style on stone foundations frame construction tower with slightly inclined walls was erected on the western side of the church  body. The church was rebuilt in 1929. The originally single‐nave church with a presbytery closed on  three sides was enlarged to include a transept. A sacristy was added on the side of the presbytery to  the north, and a vestibule was added to the south. The presbytery and sacristy have flat ceilings, with  the top logs extending through the entire width of the nave and the south vestibule. A false dome  vault  was  erected  at  the  transept  and  nave  intersection.  The  church  walls  are  covered  with  polychromes. The wooden floor is laid directly on the ground. The gable roofs are covered with metal  sheets.  (a)  (b)  Figure 1. Church facade: (a) west and (b) south.  2.2. Measuring Apparatus  The temperature and relative humidity were continuously monitored in the building from 1  May 2018 to 1 May 2019, with the frequency of measurements being every 10minutes. The outdoor  and indoor air temperature was measured using PT‐100 sensors with a 0.1 °C resolution and a ±0.1  °C measurement error. The relative humidity of the outdoor and indoor air was measured using a  DTH22 sensor with a 0–100% measuring range and a 0.3% accuracy. The placement of measuring  points is shown in Figure 2. The recorders with index “0” were located at the height of 1.0 m, while  those with index “1” were at the height of 1.8 m, those with “2”at the height of 2.5 m, and those with  “3”at  the  height  of  4.5  m.  The  number  of  people  staying  in  the  church  during  services  was  also  monitored.  Buildings 2020, 10, 118  4  of  16  B0; B1; B2 A1 E3 AA D1 C0; C1; C2 (a)  (b)  Figure 2. Location of measuring points: (a) church plan and (b) church section.  2.3. Assumptions for Calculations  The  obtained  results  were  used  to  determine  the  desired  microclimate  for  historic  wooden  buildings with polychromes. The analysis covered the days on which services were held in typical  periods: summer (May–September) and winter (October–April).  The studies also included the risk analysis for vapor condensation on the inside surface of the  church walls for the adopted assumptions (Figure 3). For that purpose, we used a building model  (Figure 4) that was subjected to calculation analysis based on the method of elementary balances  implemented in the WUFIplus ver. 3.2.0 software (Fraunhofer Institut fur Bauphysik, Holzkirchen  Branch, Germany).WUFIplus  is a specialized tool in the field of building physics that allows for the  calculations for non‐stationary boundary conditions, taking the actual measured datainto account.  1470 Buildings 2020, 10, 118  5  of  16  Figure 3. Selected technical parameters of building fabric and materials implemented for simulation  in WUFIplus .  Buildings 2020, 10, 118  6  of  16  Figure 4. Church model generated in WUFIplus .  In the simulation process, the measurement data on the temperature and relative humidity of  the indoor air, as well as the results of measurements of the temperature and relative humidity of the  outdoor air, were used from  all points. Due to the fact that modelling involved shaping internal  conditions by the above‐mentioned boundary conditions, the model omitted the influence of wind  speed and solar radiation. Natural ventilation—the intensity of which was automatically adjusted by  the software in order to obtain compliance with the given measurement data—was assumed in the  calculations. Constant infiltration was assumed at 1ACH. The model also included heat gain from  people with a value of 100 W/person. This value was the average between the profit from a person  without physical activity in a sitting position (95 W/person) and a person in a standing position (106  W/person).  The  mentioned  relationships  were  adopted  based  on  Polish  norm  PN‐B‐02025:  2001  “Calculation of seasonal heat demand for heating residential buildings and collective housing.”  3. Results  3.1. Experimental Research  The results of the outdoor and indoor temperature and relative humidity measurements are  presented in Figures 5 and 6. In the period of study, the warmest month was August (average air  temperature of 19 °C), and the coldest month was January (average air temperature of −4.1 °C).The  outdoor temperature had a huge impact on the indoor temperature and relative humidity.  Buildings 2020, 10, 118  7  of  16  Figure 5. Average outdoor and indoor air temperatures during the year.  Figure 6. Average outdoor and indoor relative humidity during the year.  Due to differentiated thermal and humidity conditions, the period of studies was divided into  two subperiods: summer and winter. The analysis was carried out for nine measuring points located  inside the church. Figures 7 and 8 show the indoor air temperature, relative humidity, and the limit  values of optimum indoor thermal and humidity conditions. The ranges of analyzed parameters that  are optimal for such buildings are 20 ± 5 °C for temperature and 50 ± 15% for relative humidity [3,20].  Other microclimate researchers of sacral objects have already adopted such values.    Buildings 2020, 10, 118  8  of  16  ‐5 ‐10 Optimal conditions A1 B0 B1 B2 C0 C1 C2 D1 Date Figure 7. Indoor air temperatures and relative humidity in the summer period.  Throughout 84 days of the summer period, the indoor air humidity exceeded the limit (65%) and  reached  85%.  The  elevated  relative  humidity  inside  the  church  might  have  been  caused  by  poor  ventilation and the absence of damp‐proofing on the floor and foundations.  Relative humidity [%] Temperature [°C]  May 2018  June2018  July 2018 August 2018  September 2018 Buildings 2020, 10, 118  9  of  16  ‐5 ‐10 Optimal conditions A1 B1 B2 C0 C1 C2 D1 E3 Date Figure 8. Indoor air temperatures and relative humidity in the winter period.  In the winter period, the indoor air temperature stayed below 15 °C, and in January, it even fell  below−9 °C. It reached optimum values several times on individual days in October, November, and  April. The increased temperature was related to the services held in the church at that time. The  indoor relative humidity in the winter period was above the required value for the larger part of that  period. Its maximum values exceeded 90%.  As  a  result  of  the  specific  use  of  the  church  (services  held  a  few  times  a  year),  momentary  fluctuations of air temperature and relative humidity could be observed. The results are shown in  Figures 9 and 10. Table 1 summarizes the number of people present at the services.  Relative humidity [%] Temperature [°C] October 2018 November 2018 December 2018 January 2019 February 2019 March 2019 April 2019 Buildings 2020, 10, 118  10  of  16  Figure 9. Indoor air temperature and relative humidity values on 22 July 2018; the number of people  at the service was 160.    Buildings 2020, 10, 118  11  of  16  Figure 10. Indoor air temperature and relative humidity values on 24 January 2019.  Table 1. The number of people present at the services.  Date  The Number of People  20 May 2018  298  21 July 2018  57  22 July 2018  160  29 July 2018  202  12 August 2018  138  26 August 2018  146  16 September 2018  38  14 October 2018  69  21 October 2018  26  1 November 2018  496  11 November 2018  53  25 November 2018  153  24 January 2019  400  26 January 2019  154  Figure 9 presents the air temperature and relative humidity values on 22 July 2018. On this day,  one service was held that was attended by about 160 people. The air temperature during the day  before the service was from 17.9 to 20.7 °C, while the relative humidity was from 67.1% to 81.6%. The  appearance of people at the service increased the air temperature by 5.3 °C under the church choir.  This was due to the fact that the faithful gather most often in this part of the building. At the point  located in the choir, the temperature increased to 3.1 °C. The vertical temperature stratification was  Buildings 2020, 10, 118  12  of  16  therefore 2.2 °C. At its peak, the relative humidity was 85.6% and occurred in the boundary zone of  the north wall of the church.  In the winter, a day was selected for detailed analysis when there were about 400 people at the  service (Figure 10). Before the service, the church’s air temperature was around −5 °C, while during  the service, it rose to 4.8 °C. The analysis of relative humidity showed a very large fluctuation of this  parameter during the service. The largest difference in air temperature, amounting to9.4 °C, during  the service was recorded under the choir, while the lowest, 5.2 °C, was noted in the nave and in the  presbytery. Relative humidity fluctuations ranged from 7.1% (point E3) to 15% (point D1).  The impact of the number of people in the church on the interior microclimate was varied and  depended on the season. The greatest fluctuations in temperature and relative humidity occurred in  winter during services. These violent fluctuations in the interior microclimate could adversely affect  the wooden antique elements of the church’s furnishings and its construction. One should agree with  the  statement  of  Bratasz  and  Kozlowski  [7]  that  each  painted  wooden  object  with  an  individual  original structure is acclimated to the specific environment in which it was exposed. Such an object  needs individual levels and ranges of air temperature and relative humidity. Rapid changes in these  parameters can lead to the faster degradation of historic polychromes.  The  detailed  analysis  of  indoor  air  temperature  and  relative  humidity  during  the  services  showed that these parameters depended mainly on the number of people attending the service.  3.2. Computational Analysis  The  analysis  of  the  obtained  results,  in  reference  to  the  optimum  thermal  and  humidity  conditions required for historic buildings, indicated that this church does not meet them for 230 days  of the year. The favorable condition ensuring long‐term protection is a stable microclimate. There are  periodic relative humidity drops in this church (from above 80% to below 70%). Such fluctuations  could be a cause of damage to both the wood and the paintings. The relative humidity in the analyzed  period was above 70%, meaning that it exceeded the threshold value, whose upper limit was assumed  at 65%. The air temperature in such a building should be in the 20 ± 5 °C range. Such conditions were  met  in  the  summer  period,  but  in  the  winter  period,  the  air  temperature  in  the  church  was  considerably below 15 °C. The temperature differences during the services were from 2.9 to 9.5 °C.  Taking into account the comfort conditions for the participants of the service, particularly in winter  when  people  wear  outer garments  in  the  church, the  air  temperature  should  be  12–16 °C. In  the  analyzed winter period, the temperature was below 10 °C and even dropped down to −9.7 °C, thus  not meeting the thermal comfort conditions for the people inside the building.  An  analysis  of  the  calculation  results  showed  no  risk  of  condensation  on  the  surface  of  the  internal walls (Figure 11). The smallest difference between the wall surface temperature and the dew  point temperature for given conditions occurred during the winter at one of the services and was 1.6  °C. During the entire study period, the temperature of the inner wall surface was 4.5 °C higher, on  average, compared to the dew point temperature. It should be noted, however, that the temperature  of the internal surface of the partitions was unstable. During the year, the values of this parameter  ranged from −8.0 to 24.6 °C.  Buildings 2020, 10, 118  13  of  16  (a)  (b)  Figure 11. Indoor air temperatures, wall inside surface temperatures, and dew point: (a) April 2018– October 2018 and (b) November 2018–April 2019.  The risk of condensation on the internal surfaces of the interior partitions was very strongly  correlated with the number of people at the services. The largest number of worshippers in the church  occurred  on  1  November  2018  (496  people),  but  this  did  not  cause  the  phenomenon  of  steam  condensation on the partitions.  4. Discussion  During most of the study, the relative humidity in the building was above 75%. The studies by  Maroy K. et al. [20] in a Watervliet church also indicated the problem of excessive humidity. The  authors of the studies assumed that 75% was the maximum relative humidity that prevented the  biological  degradation  of  wooden  works  of  art.  An  excessive  relative  humidity  (84–89%)  in  an  unheated church was also recorded in a church in Estonia; the authors noted a high risk of mold. The  conditions  in the Estonian church maybe influenced  by the close vicinity of the sea [5,21];  in the  referred to paper, the maximum daily temperature change was 1.5 °C and the maximum relative  humidity changes was 4%.The daily temperature differences in the studied church reached as much  as9 °C.  The studies indicated that despite the exceeded maximum indoor air temperature and relative  humidity,  there  is  no  risk  of  vapor  condensation  on  the  building  envelopes  in  the  church  in  Ptaszkowa. The church has a thermally uninsulated and non‐damp‐proofed floor that significantly  affects the thermal and humidity conditions inside.  Similarly to the church in Dębno Podhalańskie [11], the average annual air temperature and  relative  humidity  values  depend  mainly  on  outdoor  conditions.  The  differences  in  the  air  Buildings 2020, 10, 118  14  of  16  temperature  and  relative  humidity  values  between  the  studied  church  and  the  church  in  Dębno  Podhalańskie maybe related to their use. The services in the church in Dębno Podhalańskie are held  daily, and in the studied church, they are only held only a few times a year. The relationship between  the indoor and the outdoor conditions was also noted in a church in Madrid [12]. The problem of  maintaining optimum conditions also occurred in a church in Milan [22]. The authors’ studies have  shown  that  wooden  historic  sacral  objects  should  be  heated  in  winter.  The  conducted  research  showed that the number of the faithful at services also had a significant impact on the development  of thermal and humidity conditions in an unheated wooden church. These types of objects tolerate  sudden changes in temperature and relative humidity very badly. The influence of people in the  church  on  increasing  the  biological  risk  due  to  exceeding  the  contractual  limit  of  75%  relative  humidity was observed. The presence of the faithful was not found to affect the condensation of water  vapor in the same way. In order to obtain future results, the authors plan to use computational tools  such as Computational Fluid Dynamics (CFD) and Energy Plus, which are some of the tools that are  used in monitoring microclimate parameters, among others, in historical objects [19].  5. Conclusions  The research conducted by the authors allowed for a thorough examination of the variability of  selected parameters of the internal and external microclimate and their dependence, as well as the  impact of people staying in the church on the formation of these parameters.  The average indoor air temperature was 10.5 °C, and the average indoor relative humidity was  74.6%. The extreme indoor air temperatures in the church were −9.7 °C (22 January 2019) and 25.9 °C  (29  July  2018).  The  extreme  relative  humidity  values  were  48.2%  (9  March  2019)  and  91.6%  (27  December 2018).  The amplitude of indoor air temperature fluctuations was 35.6 °C, and that of the indoor air  relative humidity was 46%.  On the days when the services were not held, the air temperature and relative humidity inside  the building were found to mainly depend on the outdoor conditions. The rise of temperature and  relative humidity was noted during the services, and this was affected by the number of people in  the church. The air temperature differentiation during the service was zone‐dependent and ranged  from 2.5 to 9.5 °C.The vertical temperature stratification between the zone under the choir, where the  faithful gather most often, and the zone in the choir (at a height of 4.5 m)was also strongly noticeable.  The temperature gradient in this case was from 2.5 to 3.7 °C.  The thermal and humidity conditions during the period of study exceeded the optimum values  for historic buildings. The studied building has a thermally uninsulated and non‐damp‐proofed floor  that significantly affects the thermal and humidity conditions inside.  The  recorded  cases  of  indoor  temperature  and  relative  humidity  values  in  excess  of  the  recommended values can result in the biological degradation of wooden works of art.  The  studies  have  indicated  that  despite  the  exceeded  maximum  indoor  air  temperature  and  relative humidity, there is no risk of vapor condensation on the building inside walls in the church  in Ptaszkowa. It should be noted, however, that the wall inside surface temperature was unstable,  which may adversely affect the durability of polychromes and paintings and the building structure  itself. In light of the above summary, the following conclusions can be drawn:  1. In the examined historic wooden church, despite the lack of faithful inside the building, there  are  periodic,  automatic  episodes  of  exceeding  the  relative  humidity  limit  (75%)  that  may  contribute to the occurrence of damage associated with paintings and polychromies.  2. Due to frequent and automatic exceeding of the relative humidity limit values, the ventilation  of the tested object should be examined, including by the tracer gas dilution method.  3. The influence of people staying in the church on the changing temperature and relative humidity  of  the  air  are  important,  but  the  presence  of  people  in  the  building  does  not  influence  the  occurrence of water vapor at the surface level of the partitions.  4. The occurrence of a vertical air temperature gradient from 2.5 to 3.7 °C occurs in the area under  the choir (measuring point D1) and in the choir (measuring point E3).  Buildings 2020, 10, 118  15  of  16  Author Contributions: Conceptualization, G.N., P.S., and M.M.; methodology, G.N. and P.S.; software, P.S.;  validation, G.N. and P.S.; formal analysis, M.M., G.N., and P.S.; investigation, G.N. and P.S.; resources, G.N.,  M.M., and P.S.; data curation, G.N., M.M., and P.S.; writing—original draft preparation, M.M., G.N., and P.S.;  writing—review and editing, G.N., P.S., and M.M.; visualization, M.M., G.N., and P.S.; supervision, G.N. and  P.S. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.  Funding:  This  research  was  funded  by  Faculty  of  Environmental  Engineering,  University  of  Agriculture  in  Krakow, through project “Subvention 031400‐D014 Environmental Engineering, Mining and Energy”.  Conflicts of Interest: The authors declare no conflict of interest  References  1. Wolski, L.; Jelec, P. Kształtowanie mikroklimatu w strefie przebywania ludzi w obiektach sakralnych. Fiz.  Budowli W Teor. I Prakt. 2005, 1, 371–378.  2. Bratasz, Ł.; Kozłowski, R. Entwicklungderneuen EU‐Normen—The CENTC346 draft standard on heating  historic  churches:  Mini  missing  disturbance  to  the  indoor  climate.  In  Klimagestaltungim  Spannungsfeldzwischen  Kulturguschutz  und  Nutzerwünschen,  Tagungsblat,  des  1;  Konservierungswissenschaftlichen Kolloqiums: Berlin, Germany, 2007; pp. 24–31.  3. Bratasz, Ł. Allowable microclimatic variations for painted wood. Stud. Conserv. 2013, 58, 65–79.  4. Camuffo, D.; Pagan, E.; Rissanen, S.; Bratasz, Ł.; Kozłowski, R.; Camuffo, M.; Valle, A. Anadvanced church  heating system favourable to art works: A contribution to European standardization. J. Cult. Herit. 2009, 11,  205–219.  5. Kalamees, T.; Väli, A.; Kurik, L.; Napp, M.; Arümagi, E.; Kallavus, U. The Influence of Indoor Climate  Controlon Risk for Damage sin Naturally Ventilated Historic Churches in Cold Climate. Int. J. Archit. Herit.  2015, 10, 486–498.  6. Webb,  A.L.  Energy  retrofits  in  historic  and  traditional  buildings:  A  review  of  problems  and  methods.  Renew. Sustain. Energy Rev. 2017, 77, 748–759.  7. Bratasz, Ł.; Kozłowski, R. Laser sensors for continuous in‐situ monitoring of the dimensional response of  wooden objects. Stud. Conserv. 2005, 50, 7–15.  8. Martínez‐Molina,  A.;  Tort‐Ausina,  I.;  Cho,  S.;  Vivancos,  J.‐L.  Energy  efficiency  and  thermal  comfort  in  historic buildings: A review. Renew. Sustain. Energy Rev. 2016, 61, 70–85.  9. Semprini, G.; Galli, C.; Farina, S. Reuse of an ancient church: Thermal aspect for integrated solutions. Energy  Procedia 2017, 133, 327–335.  10. Silva,H.E.; Coelho, G.B.A.; Henriques, F.M.A. Climate monitoring in World Heritage List buildings with low‐ cost data loggers: The case of the Jerónimos Monastery in Lisbon (Portugal). J. Build. Eng. 2020, 28, 101029.  11. Wach,  T.;  Miczyński,  J.  Microclimate  inside  of  church  of  historical  value  in  Dębno  Podhalańskie  as  influenced by external weather conditions. Acta Sci. Pol. Form. Cir. 2005, 4, 71–81.  12. Varas‐Muriel, M.J.; Martinez‐Garrido, M.I.; Fort, R. Monitoring the thermal‐hygrometric conditions induced by  traditional heating systems in a historic Spanish church (12th–16th C). Energy Build. 2014, 75, 119–132.  13. Kupczak, A.; Szadlowska‐Salega, A.; Krzemień, L.; Sobczyk, J.; Radon, J.; Kozłowski, R. Impact of paper  and wooden collections on humidity stability and energy consumption in museums and libraries. Energy  Build. 2018, 158, 77–85.  14. Gielzecki, J.; Jakubowski, T. The simulation of temperature distribution in a ground heat exchanger‐GHE  using  the  Autodesk  CFD  simulation  program.  In  Renewable  Energy  Sources:  Engineering,  Technology,  Innovation; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2018; pp. 333–343.  15. Yoshida, A.; Shoho, S.; Kinoshita, S. Evaluation of reduction effect on thermal load inside and outside of  concrete building with wooden decoration by numerical analisys. Energy Procedia 2017, 132, 435–440.  16. Nawalany, G.; Sokołowski, P. Improved energy management in an intermittently heated building using  large broiler house in central Europe as an example. Energies 2020, 13, 1371.  17. Domhagen, F.; Wahlgren, P. Consequences of varying Airtightness in wooden buildings. Energy Procedia  2017, 132, 873–878.  18. Kabatova,  V.; Durica,  P.  Measured  and  simulated  temperature  values  in  the  chosen  wall  of  a  wooden  building considering cardinal direction. Transp. Res. Procedia 2019, 40, 718–723.  19. Akkurt, G.G.; Aste, N.; Borderon, J.; Buda, A.; Calzolari, M.; Chung, D.; Costanzo, V.; Del Pero, C.; Evola,  G.;  Huerto‐Cardenas,  H.E.;  et  al.  Dynamic  thermal  and  hygrometric  simulation  of  historical  buildings:  Critical factors and possible solutions. Renew. Sustain. Energy Rev. 2020, 118, 1 09509.  Buildings 2020, 10, 118  16  of  16  20. Maroy, K.; Steeman, M.; De Backer, L.; Janssens, A.; De Paepe, M. Conservation climate analysis of a church  containing valuable artworks. Energy Procedia 2015, 78, 1269–1274.  21. Aste,  N.;  Adhikari,  R.S.;  Buzzetti,  M.;  Della  Torre,  S.;  Del  Pero,  C.;  Huerto,  H.E.;  Leonforte,  C.F.  Microclimatic monitoring of the Duomo (Milan Cathedral): Risks‐based analysis for the conservation of its  cultural heritage. Build. Environ. 2019, 148, 240–257.  22. Cannistraro, M.; Resitivo, R. Monitorig of indoor microclimatic conditions of an eighteenth‐century church,  with wireless sensor. Adv. Model. Anal. 2018, 61, 28–36.  © 2020 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access  article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution  (CC BY) license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).  http://www.deepdyve.com/assets/images/DeepDyve-Logo-lg.png Buildings Multidisciplinary Digital Publishing Institute

Experimental Study of Thermal and Humidity Conditions in a Historic Wooden Building in Southern Poland

Download PDF
16 pages

Loading next page...
 
/lp/multidisciplinary-digital-publishing-institute/experimental-study-of-thermal-and-humidity-conditions-in-a-historic-1gIIXhUN7L

References

References for this paper are not available at this time. We will be adding them shortly, thank you for your patience.

Publisher
Multidisciplinary Digital Publishing Institute
Copyright
© 1996-2020 MDPI (Basel, Switzerland) unless otherwise stated Disclaimer The statements, opinions and data contained in the journals are solely those of the individual authors and contributors and not of the publisher and the editor(s). Terms and Conditions Privacy Policy
ISSN
2075-5309
DOI
10.3390/buildings10070118
Publisher site
See Article on Publisher Site

Abstract

Article  Experimental Study of Thermal and Humidity  Conditions in a Historic Wooden Building in  Southern Poland  Grzegorz Nawalany, Paweł Sokołowski * and Małgorzata Michalik  Department of Rural Building, Faculty of Environmental Engineering, University of Agriculture in Krakow,  al. Mickiewicza 24/28, 30‐059 Krakow, Poland; grzegorz.nawalany@urk.edu.pl (G.N.);  malgoska.mich@onet.eu (M.M.)  *  Correspondence: pawel.sokolowski@urk.edu.pl; Tel.: +48‐12‐662‐41‐31  Received: 28 May 2020; Accepted: 22 June 2020; Published: 30 June 2020  Abstract:  This  article  presents  experimental  research  on  hygrothermal  conditions  in  a  historic  wooden church in southern Poland. The scope of the research included the continuous monitoring  of  temperature  and  relative  humidity  in  several  measuring  plots  in  different  areas  inside  and  outside of the church. We also continuously monitored the number of people attending services.  This study presents a detailed analysis of the development of heat and humidity conditions within  the  church.  A  model  of  the  object  was  developed,  and  a  computational  analysis  of  the  risk  of  condensation of water vapor on the inner surface of the partitions was carried out. An analysis of  the results showed a large variation in the temperature and humidity conditions in the church. The  internal temperature ranged from −9.7 to 25.9 °C, and the relative humidity of the indoor air ranged  from 45.6% to 91.6%. The test results showed that the temperature and humidity of the indoor air  periodically exceeded the accepted values of thermal comfort for historic buildings. The analysis of  the  obtained  research  results  showed  that  the  humidity  and  humidity  conditions  in  the  church  mainly  depend  on  the  climatic  zone  and  the  number  of  people  participating  in  the  services.  Moreover, an analysis of the results showed no risk of condensation on the wooden partitions of the  church, but it should be noted that the temperature of the partitions was subject to rapid fluctuations  (from −8.0 to 24.6 °C), which may have a negative impact on these historic wooden objects.  Keywords: hygrothermal conditions; thermal comfort; condensation of water vapor in partitions;  wooden buildings; religious buildings  1. Introduction  Because  they  are  a  source  of  knowledge  about  the  historical  architecture  of  the  world  and  particular  regions,  churches  are  an  essential  part  of  culture.  Many  of  them  contain  valuable  monuments, starting from their architectural plan (which is evidence of structural and aesthetical  trends in a given period), as well as other components such as polychromes on the walls and vaults,  altars, sculptures, paintings, floors, and organs, among many other features. The deterioration of such  objects constitutes an irreversible loss of a piece of cultural heritage. The most important factor that  allows us to keep the aforementioned artefacts in good condition is an appropriate microclimate. The  specific  functions  performed  by  historic  buildings  determine  the instability  and  inequality of  the  number of people inside them. The thermal and  humidity conditions inside a church are mainly  influenced by the variability of the outdoor conditions, the cubic volume of the church, the material  and structural solutions in the building envelope, and the heating and ventilation systems. In their  studies, Wolski and Jelec [1] pointed out that zones of differentiated thermal and humidity conditions  Buildings 2020, 10, 118; doi:10.3390/buildings10070118  www.mdpi.com/journal/buildings  Buildings 2020, 10, 118  2  of  16  can be distinguished in churches. It should also be noted that many historic wooden churches in  Poland are unheated or are heated cyclically.  BrataszandKozłowski [2], in their studies at the Church of Santa Maria Maddalena Rocca Pietore,  investigating the response of wooden sculptured parts to temperature and relative humidity changes,  concluded that temperature changes rapidly affect all materials in a structure, while the response of  wooden objects to relative humidity changes is much slower. Each painted wooden object with its  individual original structure and conservation history is acclimatized to the environment it has been  exposed  to.  Such  objects  need  individual  levels  of  temperature  and  relative  humidity.  Scientific  studies,  however,  have  indicated  that  50  ±  15%  relative  humidity  fluctuations  are  safe  [3].Rapid  changes in the temperature and relative humidity of the indoor air can lead to the deterioration of  polychromes, sculptures, and even the structure of a church.  Studies by Camuffo et al. [4] indicated that church heating can cause problems—periodic relative  humidity drops  cause the drying and shrinkage  of objects with low thermal inertia. In  unheated  churches, the  dominant  problem  is  mold,  which  is mainly  caused  by  moisture.  The  risk  of  mold  occurrence is much lower in heated churches than in unheated ones [5]. The modernization of historic  buildings with collections should take not only the requirements of the collection but also possible  conflicts with the thermal comfort of people and the hazards related to the structural materials into  account [6]. In various ways, heating systems satisfy certain needs in terms of the conservation of  church interiors and the thermal comfort of the people inside. However, thermal comfort and the  preservation of monuments have different microclimate requirements [7].  Interest in historic buildings is growing. The goals of studying historic buildings are varied, but  the most popular aim is to improve the energy efficiency and thermal comfort in historic buildings  [8]. In their studies, Sempriniet al. [9] focused on the reuse of an ancient church as an exhibition hall  or  an  auditorium.  Church  microclimates,  inter  alia,  were  also  studied  by  Silva  et  al.  [10]  in  a  monastery in Lisbon, by Wach and Miczyński [11] in a church in Dębno Podhalańskie, and by Varas‐ Muriel et al. [12] in a church in Madrid. An analysis of the existing literature showed that researchers  mainly  deal  with  objects  inside  historic  buildings  in  which  the  microclimate  of  the  interior  is  controlled. However, there are many historic buildings that are unheated, where the microclimate of  the interior is not monitored. Rapid fluctuations in the temperature and relative humidity of the air  can have a destructive effect on the antique polychromes and works of the art inside.  Numerical models are increasingly used in interior microclimate studies of buildings [13–15]. In  the case of unheated objects without active systems, it is not possible to counteract the occurrence of  adverse hygrothermal conditions. In the case of historic buildings, this can lead to irreparable damage  to  paintings,  sculptures,  polychromes,  and  other  valuable  elements  inside  the  building  [13].  Numerical  methods  can  be  used,  among  others,  for  anon‐stationary  analysis  of  the  variability  of  selected  physical  parameters,  such  as  humidity  and  temperature,  as  well  as  for  estimating  the  biological  risk  in  the  event  of  condensation  [16–18].  There  are  numerous  simulation  tools  for  modeling supportive solutions. Building energy simulation (BES) can be performed using more than  200 calculation tools. The modeling of historical buildings is a particularly difficult area. This is very  important  for  ensuring  the  continuity  of  test  results  that  are  used  later  in  the  validation  of  computational models. Generating a building model often requires the integration of straight and  curved surfaces into a series of flat surfaces to meet software requirements. In addition, compounds  such as rainwater pollution, wind, and other atmospheric processes that are heavily dependent on  the model are also included. It is very important to become familiar with the technical parameters of  the partitions and their humidity, because these factor shave a significant impact on conclusions. In  modeling assumptions, it is extremely difficult to combine ventilation and infiltration in a building  that is heterogeneous and variable overtime. For tall buildings (over 3 m), a vertical temperature  gradient should also be considered [19].  In this paper, the authors chose a non‐heated wooden church in which services are held several  times a year. The purpose of the research was to determine the temperature and humidity conditions  prevailing  in  the  church,  including  those  at  which  there  may  be  a  threat  to  the  exhibits  and  the  possible destruction of the wooden structure of the church.    Buildings 2020, 10, 118  3  of  16  2. Materials and Methods  2.1. The Research Object  The studies were conducted in a wooden church erected in 1555 in the village of Ptaszkowa in  southern Poland. The interlocked corner log structure building is boarded on the outside (Figure 1).   with a single nave. The square, post‐ The church was built in the Gothic style on stone foundations frame construction tower with slightly inclined walls was erected on the western side of the church  body. The church was rebuilt in 1929. The originally single‐nave church with a presbytery closed on  three sides was enlarged to include a transept. A sacristy was added on the side of the presbytery to  the north, and a vestibule was added to the south. The presbytery and sacristy have flat ceilings, with  the top logs extending through the entire width of the nave and the south vestibule. A false dome  vault  was  erected  at  the  transept  and  nave  intersection.  The  church  walls  are  covered  with  polychromes. The wooden floor is laid directly on the ground. The gable roofs are covered with metal  sheets.  (a)  (b)  Figure 1. Church facade: (a) west and (b) south.  2.2. Measuring Apparatus  The temperature and relative humidity were continuously monitored in the building from 1  May 2018 to 1 May 2019, with the frequency of measurements being every 10minutes. The outdoor  and indoor air temperature was measured using PT‐100 sensors with a 0.1 °C resolution and a ±0.1  °C measurement error. The relative humidity of the outdoor and indoor air was measured using a  DTH22 sensor with a 0–100% measuring range and a 0.3% accuracy. The placement of measuring  points is shown in Figure 2. The recorders with index “0” were located at the height of 1.0 m, while  those with index “1” were at the height of 1.8 m, those with “2”at the height of 2.5 m, and those with  “3”at  the  height  of  4.5  m.  The  number  of  people  staying  in  the  church  during  services  was  also  monitored.  Buildings 2020, 10, 118  4  of  16  B0; B1; B2 A1 E3 AA D1 C0; C1; C2 (a)  (b)  Figure 2. Location of measuring points: (a) church plan and (b) church section.  2.3. Assumptions for Calculations  The  obtained  results  were  used  to  determine  the  desired  microclimate  for  historic  wooden  buildings with polychromes. The analysis covered the days on which services were held in typical  periods: summer (May–September) and winter (October–April).  The studies also included the risk analysis for vapor condensation on the inside surface of the  church walls for the adopted assumptions (Figure 3). For that purpose, we used a building model  (Figure 4) that was subjected to calculation analysis based on the method of elementary balances  implemented in the WUFIplus ver. 3.2.0 software (Fraunhofer Institut fur Bauphysik, Holzkirchen  Branch, Germany).WUFIplus  is a specialized tool in the field of building physics that allows for the  calculations for non‐stationary boundary conditions, taking the actual measured datainto account.  1470 Buildings 2020, 10, 118  5  of  16  Figure 3. Selected technical parameters of building fabric and materials implemented for simulation  in WUFIplus .  Buildings 2020, 10, 118  6  of  16  Figure 4. Church model generated in WUFIplus .  In the simulation process, the measurement data on the temperature and relative humidity of  the indoor air, as well as the results of measurements of the temperature and relative humidity of the  outdoor air, were used from  all points. Due to the fact that modelling involved shaping internal  conditions by the above‐mentioned boundary conditions, the model omitted the influence of wind  speed and solar radiation. Natural ventilation—the intensity of which was automatically adjusted by  the software in order to obtain compliance with the given measurement data—was assumed in the  calculations. Constant infiltration was assumed at 1ACH. The model also included heat gain from  people with a value of 100 W/person. This value was the average between the profit from a person  without physical activity in a sitting position (95 W/person) and a person in a standing position (106  W/person).  The  mentioned  relationships  were  adopted  based  on  Polish  norm  PN‐B‐02025:  2001  “Calculation of seasonal heat demand for heating residential buildings and collective housing.”  3. Results  3.1. Experimental Research  The results of the outdoor and indoor temperature and relative humidity measurements are  presented in Figures 5 and 6. In the period of study, the warmest month was August (average air  temperature of 19 °C), and the coldest month was January (average air temperature of −4.1 °C).The  outdoor temperature had a huge impact on the indoor temperature and relative humidity.  Buildings 2020, 10, 118  7  of  16  Figure 5. Average outdoor and indoor air temperatures during the year.  Figure 6. Average outdoor and indoor relative humidity during the year.  Due to differentiated thermal and humidity conditions, the period of studies was divided into  two subperiods: summer and winter. The analysis was carried out for nine measuring points located  inside the church. Figures 7 and 8 show the indoor air temperature, relative humidity, and the limit  values of optimum indoor thermal and humidity conditions. The ranges of analyzed parameters that  are optimal for such buildings are 20 ± 5 °C for temperature and 50 ± 15% for relative humidity [3,20].  Other microclimate researchers of sacral objects have already adopted such values.    Buildings 2020, 10, 118  8  of  16  ‐5 ‐10 Optimal conditions A1 B0 B1 B2 C0 C1 C2 D1 Date Figure 7. Indoor air temperatures and relative humidity in the summer period.  Throughout 84 days of the summer period, the indoor air humidity exceeded the limit (65%) and  reached  85%.  The  elevated  relative  humidity  inside  the  church  might  have  been  caused  by  poor  ventilation and the absence of damp‐proofing on the floor and foundations.  Relative humidity [%] Temperature [°C]  May 2018  June2018  July 2018 August 2018  September 2018 Buildings 2020, 10, 118  9  of  16  ‐5 ‐10 Optimal conditions A1 B1 B2 C0 C1 C2 D1 E3 Date Figure 8. Indoor air temperatures and relative humidity in the winter period.  In the winter period, the indoor air temperature stayed below 15 °C, and in January, it even fell  below−9 °C. It reached optimum values several times on individual days in October, November, and  April. The increased temperature was related to the services held in the church at that time. The  indoor relative humidity in the winter period was above the required value for the larger part of that  period. Its maximum values exceeded 90%.  As  a  result  of  the  specific  use  of  the  church  (services  held  a  few  times  a  year),  momentary  fluctuations of air temperature and relative humidity could be observed. The results are shown in  Figures 9 and 10. Table 1 summarizes the number of people present at the services.  Relative humidity [%] Temperature [°C] October 2018 November 2018 December 2018 January 2019 February 2019 March 2019 April 2019 Buildings 2020, 10, 118  10  of  16  Figure 9. Indoor air temperature and relative humidity values on 22 July 2018; the number of people  at the service was 160.    Buildings 2020, 10, 118  11  of  16  Figure 10. Indoor air temperature and relative humidity values on 24 January 2019.  Table 1. The number of people present at the services.  Date  The Number of People  20 May 2018  298  21 July 2018  57  22 July 2018  160  29 July 2018  202  12 August 2018  138  26 August 2018  146  16 September 2018  38  14 October 2018  69  21 October 2018  26  1 November 2018  496  11 November 2018  53  25 November 2018  153  24 January 2019  400  26 January 2019  154  Figure 9 presents the air temperature and relative humidity values on 22 July 2018. On this day,  one service was held that was attended by about 160 people. The air temperature during the day  before the service was from 17.9 to 20.7 °C, while the relative humidity was from 67.1% to 81.6%. The  appearance of people at the service increased the air temperature by 5.3 °C under the church choir.  This was due to the fact that the faithful gather most often in this part of the building. At the point  located in the choir, the temperature increased to 3.1 °C. The vertical temperature stratification was  Buildings 2020, 10, 118  12  of  16  therefore 2.2 °C. At its peak, the relative humidity was 85.6% and occurred in the boundary zone of  the north wall of the church.  In the winter, a day was selected for detailed analysis when there were about 400 people at the  service (Figure 10). Before the service, the church’s air temperature was around −5 °C, while during  the service, it rose to 4.8 °C. The analysis of relative humidity showed a very large fluctuation of this  parameter during the service. The largest difference in air temperature, amounting to9.4 °C, during  the service was recorded under the choir, while the lowest, 5.2 °C, was noted in the nave and in the  presbytery. Relative humidity fluctuations ranged from 7.1% (point E3) to 15% (point D1).  The impact of the number of people in the church on the interior microclimate was varied and  depended on the season. The greatest fluctuations in temperature and relative humidity occurred in  winter during services. These violent fluctuations in the interior microclimate could adversely affect  the wooden antique elements of the church’s furnishings and its construction. One should agree with  the  statement  of  Bratasz  and  Kozlowski  [7]  that  each  painted  wooden  object  with  an  individual  original structure is acclimated to the specific environment in which it was exposed. Such an object  needs individual levels and ranges of air temperature and relative humidity. Rapid changes in these  parameters can lead to the faster degradation of historic polychromes.  The  detailed  analysis  of  indoor  air  temperature  and  relative  humidity  during  the  services  showed that these parameters depended mainly on the number of people attending the service.  3.2. Computational Analysis  The  analysis  of  the  obtained  results,  in  reference  to  the  optimum  thermal  and  humidity  conditions required for historic buildings, indicated that this church does not meet them for 230 days  of the year. The favorable condition ensuring long‐term protection is a stable microclimate. There are  periodic relative humidity drops in this church (from above 80% to below 70%). Such fluctuations  could be a cause of damage to both the wood and the paintings. The relative humidity in the analyzed  period was above 70%, meaning that it exceeded the threshold value, whose upper limit was assumed  at 65%. The air temperature in such a building should be in the 20 ± 5 °C range. Such conditions were  met  in  the  summer  period,  but  in  the  winter  period,  the  air  temperature  in  the  church  was  considerably below 15 °C. The temperature differences during the services were from 2.9 to 9.5 °C.  Taking into account the comfort conditions for the participants of the service, particularly in winter  when  people  wear  outer garments  in  the  church, the  air  temperature  should  be  12–16 °C. In  the  analyzed winter period, the temperature was below 10 °C and even dropped down to −9.7 °C, thus  not meeting the thermal comfort conditions for the people inside the building.  An  analysis  of  the  calculation  results  showed  no  risk  of  condensation  on  the  surface  of  the  internal walls (Figure 11). The smallest difference between the wall surface temperature and the dew  point temperature for given conditions occurred during the winter at one of the services and was 1.6  °C. During the entire study period, the temperature of the inner wall surface was 4.5 °C higher, on  average, compared to the dew point temperature. It should be noted, however, that the temperature  of the internal surface of the partitions was unstable. During the year, the values of this parameter  ranged from −8.0 to 24.6 °C.  Buildings 2020, 10, 118  13  of  16  (a)  (b)  Figure 11. Indoor air temperatures, wall inside surface temperatures, and dew point: (a) April 2018– October 2018 and (b) November 2018–April 2019.  The risk of condensation on the internal surfaces of the interior partitions was very strongly  correlated with the number of people at the services. The largest number of worshippers in the church  occurred  on  1  November  2018  (496  people),  but  this  did  not  cause  the  phenomenon  of  steam  condensation on the partitions.  4. Discussion  During most of the study, the relative humidity in the building was above 75%. The studies by  Maroy K. et al. [20] in a Watervliet church also indicated the problem of excessive humidity. The  authors of the studies assumed that 75% was the maximum relative humidity that prevented the  biological  degradation  of  wooden  works  of  art.  An  excessive  relative  humidity  (84–89%)  in  an  unheated church was also recorded in a church in Estonia; the authors noted a high risk of mold. The  conditions  in the Estonian church maybe influenced  by the close vicinity of the sea [5,21];  in the  referred to paper, the maximum daily temperature change was 1.5 °C and the maximum relative  humidity changes was 4%.The daily temperature differences in the studied church reached as much  as9 °C.  The studies indicated that despite the exceeded maximum indoor air temperature and relative  humidity,  there  is  no  risk  of  vapor  condensation  on  the  building  envelopes  in  the  church  in  Ptaszkowa. The church has a thermally uninsulated and non‐damp‐proofed floor that significantly  affects the thermal and humidity conditions inside.  Similarly to the church in Dębno Podhalańskie [11], the average annual air temperature and  relative  humidity  values  depend  mainly  on  outdoor  conditions.  The  differences  in  the  air  Buildings 2020, 10, 118  14  of  16  temperature  and  relative  humidity  values  between  the  studied  church  and  the  church  in  Dębno  Podhalańskie maybe related to their use. The services in the church in Dębno Podhalańskie are held  daily, and in the studied church, they are only held only a few times a year. The relationship between  the indoor and the outdoor conditions was also noted in a church in Madrid [12]. The problem of  maintaining optimum conditions also occurred in a church in Milan [22]. The authors’ studies have  shown  that  wooden  historic  sacral  objects  should  be  heated  in  winter.  The  conducted  research  showed that the number of the faithful at services also had a significant impact on the development  of thermal and humidity conditions in an unheated wooden church. These types of objects tolerate  sudden changes in temperature and relative humidity very badly. The influence of people in the  church  on  increasing  the  biological  risk  due  to  exceeding  the  contractual  limit  of  75%  relative  humidity was observed. The presence of the faithful was not found to affect the condensation of water  vapor in the same way. In order to obtain future results, the authors plan to use computational tools  such as Computational Fluid Dynamics (CFD) and Energy Plus, which are some of the tools that are  used in monitoring microclimate parameters, among others, in historical objects [19].  5. Conclusions  The research conducted by the authors allowed for a thorough examination of the variability of  selected parameters of the internal and external microclimate and their dependence, as well as the  impact of people staying in the church on the formation of these parameters.  The average indoor air temperature was 10.5 °C, and the average indoor relative humidity was  74.6%. The extreme indoor air temperatures in the church were −9.7 °C (22 January 2019) and 25.9 °C  (29  July  2018).  The  extreme  relative  humidity  values  were  48.2%  (9  March  2019)  and  91.6%  (27  December 2018).  The amplitude of indoor air temperature fluctuations was 35.6 °C, and that of the indoor air  relative humidity was 46%.  On the days when the services were not held, the air temperature and relative humidity inside  the building were found to mainly depend on the outdoor conditions. The rise of temperature and  relative humidity was noted during the services, and this was affected by the number of people in  the church. The air temperature differentiation during the service was zone‐dependent and ranged  from 2.5 to 9.5 °C.The vertical temperature stratification between the zone under the choir, where the  faithful gather most often, and the zone in the choir (at a height of 4.5 m)was also strongly noticeable.  The temperature gradient in this case was from 2.5 to 3.7 °C.  The thermal and humidity conditions during the period of study exceeded the optimum values  for historic buildings. The studied building has a thermally uninsulated and non‐damp‐proofed floor  that significantly affects the thermal and humidity conditions inside.  The  recorded  cases  of  indoor  temperature  and  relative  humidity  values  in  excess  of  the  recommended values can result in the biological degradation of wooden works of art.  The  studies  have  indicated  that  despite  the  exceeded  maximum  indoor  air  temperature  and  relative humidity, there is no risk of vapor condensation on the building inside walls in the church  in Ptaszkowa. It should be noted, however, that the wall inside surface temperature was unstable,  which may adversely affect the durability of polychromes and paintings and the building structure  itself. In light of the above summary, the following conclusions can be drawn:  1. In the examined historic wooden church, despite the lack of faithful inside the building, there  are  periodic,  automatic  episodes  of  exceeding  the  relative  humidity  limit  (75%)  that  may  contribute to the occurrence of damage associated with paintings and polychromies.  2. Due to frequent and automatic exceeding of the relative humidity limit values, the ventilation  of the tested object should be examined, including by the tracer gas dilution method.  3. The influence of people staying in the church on the changing temperature and relative humidity  of  the  air  are  important,  but  the  presence  of  people  in  the  building  does  not  influence  the  occurrence of water vapor at the surface level of the partitions.  4. The occurrence of a vertical air temperature gradient from 2.5 to 3.7 °C occurs in the area under  the choir (measuring point D1) and in the choir (measuring point E3).  Buildings 2020, 10, 118  15  of  16  Author Contributions: Conceptualization, G.N., P.S., and M.M.; methodology, G.N. and P.S.; software, P.S.;  validation, G.N. and P.S.; formal analysis, M.M., G.N., and P.S.; investigation, G.N. and P.S.; resources, G.N.,  M.M., and P.S.; data curation, G.N., M.M., and P.S.; writing—original draft preparation, M.M., G.N., and P.S.;  writing—review and editing, G.N., P.S., and M.M.; visualization, M.M., G.N., and P.S.; supervision, G.N. and  P.S. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.  Funding:  This  research  was  funded  by  Faculty  of  Environmental  Engineering,  University  of  Agriculture  in  Krakow, through project “Subvention 031400‐D014 Environmental Engineering, Mining and Energy”.  Conflicts of Interest: The authors declare no conflict of interest  References  1. Wolski, L.; Jelec, P. Kształtowanie mikroklimatu w strefie przebywania ludzi w obiektach sakralnych. Fiz.  Budowli W Teor. I Prakt. 2005, 1, 371–378.  2. Bratasz, Ł.; Kozłowski, R. Entwicklungderneuen EU‐Normen—The CENTC346 draft standard on heating  historic  churches:  Mini  missing  disturbance  to  the  indoor  climate.  In  Klimagestaltungim  Spannungsfeldzwischen  Kulturguschutz  und  Nutzerwünschen,  Tagungsblat,  des  1;  Konservierungswissenschaftlichen Kolloqiums: Berlin, Germany, 2007; pp. 24–31.  3. Bratasz, Ł. Allowable microclimatic variations for painted wood. Stud. Conserv. 2013, 58, 65–79.  4. Camuffo, D.; Pagan, E.; Rissanen, S.; Bratasz, Ł.; Kozłowski, R.; Camuffo, M.; Valle, A. Anadvanced church  heating system favourable to art works: A contribution to European standardization. J. Cult. Herit. 2009, 11,  205–219.  5. Kalamees, T.; Väli, A.; Kurik, L.; Napp, M.; Arümagi, E.; Kallavus, U. The Influence of Indoor Climate  Controlon Risk for Damage sin Naturally Ventilated Historic Churches in Cold Climate. Int. J. Archit. Herit.  2015, 10, 486–498.  6. Webb,  A.L.  Energy  retrofits  in  historic  and  traditional  buildings:  A  review  of  problems  and  methods.  Renew. Sustain. Energy Rev. 2017, 77, 748–759.  7. Bratasz, Ł.; Kozłowski, R. Laser sensors for continuous in‐situ monitoring of the dimensional response of  wooden objects. Stud. Conserv. 2005, 50, 7–15.  8. Martínez‐Molina,  A.;  Tort‐Ausina,  I.;  Cho,  S.;  Vivancos,  J.‐L.  Energy  efficiency  and  thermal  comfort  in  historic buildings: A review. Renew. Sustain. Energy Rev. 2016, 61, 70–85.  9. Semprini, G.; Galli, C.; Farina, S. Reuse of an ancient church: Thermal aspect for integrated solutions. Energy  Procedia 2017, 133, 327–335.  10. Silva,H.E.; Coelho, G.B.A.; Henriques, F.M.A. Climate monitoring in World Heritage List buildings with low‐ cost data loggers: The case of the Jerónimos Monastery in Lisbon (Portugal). J. Build. Eng. 2020, 28, 101029.  11. Wach,  T.;  Miczyński,  J.  Microclimate  inside  of  church  of  historical  value  in  Dębno  Podhalańskie  as  influenced by external weather conditions. Acta Sci. Pol. Form. Cir. 2005, 4, 71–81.  12. Varas‐Muriel, M.J.; Martinez‐Garrido, M.I.; Fort, R. Monitoring the thermal‐hygrometric conditions induced by  traditional heating systems in a historic Spanish church (12th–16th C). Energy Build. 2014, 75, 119–132.  13. Kupczak, A.; Szadlowska‐Salega, A.; Krzemień, L.; Sobczyk, J.; Radon, J.; Kozłowski, R. Impact of paper  and wooden collections on humidity stability and energy consumption in museums and libraries. Energy  Build. 2018, 158, 77–85.  14. Gielzecki, J.; Jakubowski, T. The simulation of temperature distribution in a ground heat exchanger‐GHE  using  the  Autodesk  CFD  simulation  program.  In  Renewable  Energy  Sources:  Engineering,  Technology,  Innovation; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2018; pp. 333–343.  15. Yoshida, A.; Shoho, S.; Kinoshita, S. Evaluation of reduction effect on thermal load inside and outside of  concrete building with wooden decoration by numerical analisys. Energy Procedia 2017, 132, 435–440.  16. Nawalany, G.; Sokołowski, P. Improved energy management in an intermittently heated building using  large broiler house in central Europe as an example. Energies 2020, 13, 1371.  17. Domhagen, F.; Wahlgren, P. Consequences of varying Airtightness in wooden buildings. Energy Procedia  2017, 132, 873–878.  18. Kabatova,  V.; Durica,  P.  Measured  and  simulated  temperature  values  in  the  chosen  wall  of  a  wooden  building considering cardinal direction. Transp. Res. Procedia 2019, 40, 718–723.  19. Akkurt, G.G.; Aste, N.; Borderon, J.; Buda, A.; Calzolari, M.; Chung, D.; Costanzo, V.; Del Pero, C.; Evola,  G.;  Huerto‐Cardenas,  H.E.;  et  al.  Dynamic  thermal  and  hygrometric  simulation  of  historical  buildings:  Critical factors and possible solutions. Renew. Sustain. Energy Rev. 2020, 118, 1 09509.  Buildings 2020, 10, 118  16  of  16  20. Maroy, K.; Steeman, M.; De Backer, L.; Janssens, A.; De Paepe, M. Conservation climate analysis of a church  containing valuable artworks. Energy Procedia 2015, 78, 1269–1274.  21. Aste,  N.;  Adhikari,  R.S.;  Buzzetti,  M.;  Della  Torre,  S.;  Del  Pero,  C.;  Huerto,  H.E.;  Leonforte,  C.F.  Microclimatic monitoring of the Duomo (Milan Cathedral): Risks‐based analysis for the conservation of its  cultural heritage. Build. Environ. 2019, 148, 240–257.  22. Cannistraro, M.; Resitivo, R. Monitorig of indoor microclimatic conditions of an eighteenth‐century church,  with wireless sensor. Adv. Model. Anal. 2018, 61, 28–36.  © 2020 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access  article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution  (CC BY) license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). 

Journal

Buildings – Multidisciplinary Digital Publishing Institute

Published: Jun 30, 2020

References

  • Kształtowanie mikroklimatu w strefie przebywania ludzi w obiektach sakralnych
    Wolski
  • Entwicklungderneuen EU-Normen—The CENTC346 draft standard on heating historic churches: Mini missing disturbance to the indoor climate
    Bratasz