Institutionen för teknik och design, TD
Energieffektivisering av kulturhistoriska byggnader
– energi och klimat i Lekaryd kyrka
Energy potentiation of historic buildings
- energy and climate issues in Lekaryd church
Växjö juni 2007 Examensarbete nr: TD 045/2007 Mikael Andersson Avdelningen för Byggteknik
VÄXJÖ UNIVERSITET Mikael Andersson Institutionen för teknik och design
Växjö University
School of Technology and Design
Dokumenttyp/Type of document Handledare/tutor Examinator/examiner
Examensarbete/Diplomawork Magnus Bengtsson Bertil Bredmar
Titel och undertitel/Title and subtitle
Energieffektivisering av kulturhistoriska byggnader - energi och klimat i Lekaryd kyrka Energy potentiation of historic buildings - energy and climate issues in Lekaryd church Sammanfattning (på svenska)
Detta examensarbete syftar till att utreda inneklimat- och energisituationen i Lekaryd kyrka. För att göra detta har klimatmätning genomförts, samt simuleringar med datorsimuleringsprogrammet IDA – Klimat och energi. Kyrkan har höga energikostnader och för att få kännedom om energiförlusternas storlek och fördelning, har en
kartläggning av kyrkans energiflöden genomförts i syfte att fastställa dess energibalans. Målet är att resultaten från klimatmätningen och datorsimuleringarna ska kunna användas som underlag vid utarbetande av
åtgärdsförslag för en lönsammare och ur bevarandesynpunkt skonsammare drift av Lekaryd kyrka. Kyrkan värms intermittent vilket är skonsammare för kyrkan då långvariga variationer i den relativa fuktigheten undviks. Analysen av inneklimatet i kyrkan visar att den relativa fuktigheten ligger inom ett intervall där risk för
uttorkningsskador och mögeltillväxt inte bör vara överhängande. De datorsimuleringar som har genomförts, innefattar simulering av kyrkans inomhusklimat och kyrkans energibalans. Vid datorsimulering av en tung
stenkyrka är det viktigt att programmet tar hänsyn till väggarnas värmetekniska egenskaper för att ett bra resultat ska erhållas. Byggnadens värmelagrande förmåga tar programmet hänsyn till, men komplikationer uppstår när noggranna värden i relativa fuktigheten önskas. Resultatet från energisimuleringen pekar på att kyrkan dras med stora energiförluster i form av transmission genom byggnadsskalet, samtidigt som det visat sig att det passiva värmetillskottet från sol och intern transmission har en betydande inverkan på kyrkans aktiva uppvärmning. Nyckelord
Inneklimat, energi, kulturhistoriska byggnader Abstract (in English)
This diploma work aims to investigate the climate- and the energy situation in Lekaryd church. In order to do this, climate measurement has been implemented, and simulations with the computer program named IDA - Climate and energy. The church has high energy costs and in order to get awareness about the energy losses' size and distribution, a mapping of the church's energy flows has been implemented in aim to establish its energy balance. The objective is that the results from the climate measurement and computer simulations will can to be used as bases at preparation of proposed actions for a more profitable and from a viewpoint of maintenance more merciful operation of Lekaryd church. The church is heated intermittentlely, which is more merciful for the church, because prolonged variations in the relative humidity then are avoided. The analysis of the indoor climate in the church shows that the relative humidity lies within an interval where risk for drying damages and mould growth should not be imminent. They simulations that has been implemented, includes simulation of the church's indoor climate and the church's energy balance. At computer simulation of a heavy stone church is it important that the programme takes considerations to the walls' heat technical properties in order to a good result will be received. The programme takes considerations to the building's heat storing ability, but
complications arise when careful values in the relative humidity are to be desired. The result from the energy simulation points on that the church is to be drawn with big energy losses in the form of transmission through the building shell, concurrent as it is shown that the passive heat boost from sun and internal transmission has a significant effect on the church's active heating.
Key Words
Indoor climate, energy, historic buildings
Utgivningsår/Year of issue Språk/Language Antal sidor/Number of pages
2007 Svenska/Swedish 53 Internet/WWW
Förord
Detta examensarbete om 10 poäng innefattar kartläggning av inomhusklimat och energibalans för Lekaryd kyrka. Arbetet har utförts i samarbete med Alvesta kyrkliga samfällighet, samt FLK Sverige AB, där jag också har haft tillgång till arbetsplats och handledning. Arbetet utfördes mellan april och juni 2007.
Till detta examensarbete har jag haft stor hjälp av flera personer och dessa vill jag rikta ett stort tack till:
•
Magnus Bengtsson, FLK Sverige AB Växjö, som varit min handledare•
Bertil Bredmar, handledare och examinator vid Institutionen för Teknik och Design, Växjö universitet•
Tor Broström, handledare och lektor vid Högskolan på GotlandVill också passa på att tacka vaktmästarna vid Lekaryd kyrka för all praktisk hjälp och för att de delat med sig av sin erfarenhet av kyrkan till mig, samt Lars Eliasson och Bertil Enqvist, Växjö universitet, för hjälp med mätutrustning.
Ett jättetack till min bror, Patrik Andersson för all Excellent hjälp.
Sist ett stort tack till all personal på FLK som under hela perioden har ställt upp och delat med sig av sin tid och kunskap.
Växjö juni 2007
Sammanfattning
Detta examensarbete på C-nivå, har genomförts i samarbete med FLK Sverige AB och syftar till att utreda inomhusklimat- och energisituationen i Lekaryd kyrka. För att göra detta har klimatmätning genomförts med dataloggrar, samt simuleringar med
datorsimuleringsprogrammet IDA – Klimat och energi. Klimatmätningar har genomförts i många stenkyrkor sedan en längre tid tillbaka, dock är det oklart om försök någonsin har gjorts med stöd av datorsimulering. Lekaryd kyrka är som många andra kyrkor förknippad med onödigt höga energikostnader i förhållande till sin utnyttjandegrad och för att få kännedom om energiförlusternas storlek och fördelning, har en kartläggning av kyrkans energiflöden genomförts, i syfte att fastställa dess energibalans.
Målet är att resultaten från klimatmätningen och datorsimuleringarna ska kunna användas som framtida underlag vid utarbetande av åtgärdsförslag för en lönsammare och ur bevarandesynpunkt skonsammare drift av Lekaryd kyrka. Våra kyrkor har existerat i flera hundra år och risken att de ska komma till stor skada på grund av felaktig uppvärmning har ökat under de senaste decennierna i takt med att uppvärmningstekniker har utvecklats och människans krav på komfort ökat. Lekaryd kyrka värms intermittent vilket innebär att den hastigt värms upp inför förrättning för att däremellan hållas vid en låg grundvärme. Denna kortvariga uppvärmning är skonsammare för kyrkan eftersom långvariga variationer i den relativa fuktigheten undviks. Analysen av inneklimatet visar att den relativa fuktigheten i kyrkan ligger inom ett intervall där risken för uttorkningsskador eller mögeltillväxt inte bör vara överhängande. Det ska dock påpekas att ovanstående endast gäller för perioden då klimatmätningen pågick.
De datorsimuleringar som har genomförts med IDA – Klimat och energi, innefattar
simulering av kyrkans inomhusklimat och kyrkans energibalans och för att göra detta måste det finnas god kunskap om kyrkans klimatskal, installationer och användning. I de fall där underlaget om dessa delar har varit tunt, har rimliga antaganden och uppskattningar gjorts, vilket också har beaktats vid analys av resultaten. Vid klimatsimulering av en tung
stenbyggnad är det viktigt att programmet tar hänsyn till väggarnas värmetekniska egenskaper för att ett bra resultat ska erhållas. Byggnadens värmelagrande förmåga tar programmet hänsyn till, men komplikationer uppstår om noggranna värden i den relativa fuktigheten önskas.
Resultatet från energisimuleringen pekar på att kyrkan dras med stora energiförluster i form av transmission genom byggnadsskalet, samtidigt som det visat sig att det passiva
värmetillskottet från sol och intern transmission har en betydande inverkan på kyrkans aktiva uppvärmning.
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
FÖRORD SAMMANFATTNING 1 INLEDNING ... 7 1.1 BAKGRUND... 7 1.2 SYFTE OCH MÅL... 7 1.3 METOD... 8 1.4 AVGRÄNSNINGAR... 82 UPPVÄRMNINGSMETODER OCH SKADOR I KYRKOR ... 9
2.1 HISTORIK KRING UPPVÄRMNING I KYRKOR... 9
2.2 INTERMITTENT UPPVÄRMNING... 10
2.3 SKADEORSAKER I KYRKOR... 12
2.3.1 Variationer i relativ fuktighet... 12
2.3.2 Svärtning ... 13 3 LEKARYD KYRKA ... 14 3.1 BESKRIVNING AV KYRKAN... 14 3.1.1 Byggnadsteknisk beskrivning ... 14 3.1.2 Värmesystem ... 15 3.1.3 Ventilationsystem ... 16 3.2 EKONOMIBYGGNADEN... 17
4 INNEKLIMAT I LEKARYD KYRKA ... 18
4.1 KLIMATMÄTNINGAR... 18
4.2 KLIMATMÄTNING I LEKARYD KYRKA... 20
4.2.1 Beskrivning av inomhusklimatet i Lekaryd kyrka... 21
4.2.2 Sammanfattning... 25
4.3 DATORSIMULERING AV INOMHUSKLIMATET... 25
4.3.1 IDA - Klimat och energi ... 25
4.3.2 Förutsättningar för klimatsimulering... 26
4.4 RESULTAT OCH JÄMFÖRELSE AV SIMULERING MOT KLIMATMÄTNING... 28
4.4.1 Lufttemperaturer under uppvärmningsdygnet... 28
4.4.2 Relativ fuktighet under uppvärmningsdygnet... 30
4.5 SLUTSATS... 32
5 UPPVÄRMNINGSTIDER FÖR LEKARYD KYRKA... 33
5.1 BAKGRUND... 33
5.2 UPPVÄRMNINGSDIAGRAM... 33
6 ENERGIKARTLÄGGNING AV LEKARYD KYRKA ... 36
6.1 ENERGIBALANS, ORIENTERANDE DEL... 36
6.2 UPPMÄTT ÅRSENERGIFÖRBRUKNING... 38
6.2.1 Graddagskorrigerad årsenergiförbrukning ... 38
6.3 ENERGISIMULERING MED IDA – KLIMAT OCH ENERGI... 40
6.3.1 Förutsättningar för energisimulering... 40
6.4 RESULTAT OCH JÄMFÖRELSE... 41
6.4.1 Simulerad årsenergiförbrukning ... 41
6.4.2 Granskning av erhållna värden... 42
6.4.3 Energibalans för kyrkan... 44
6.5 SLUTSATS... 50
7 ALLMÄN DISKUSSION... 51
8.1 LITTERATUR... 52
8.2 RAPPORTER, EXAMENSARBETEN OCH ÖVRIGA DOKUMENT... 52
8.3 MUNTLIGT... 53
8.4 INTERNET... 53
BILAGOR... 53 BILAGA 1: Effektberäkningar för Lekaryd kyrka (4 sid.)
BILAGA 2: Bilder på Lekaryd kyrka (2 sid.)
BILAGA 3: Installationsritning över ventilationsystem för krypgrund (1 sid.) BILAGA 4: Ekonomibyggnad (1 sid.)
BILAGA 5: Värmebehovsberäkning av ekonomibyggnad för 18/3, 2007 (2 sid.) BILAGA 6: Mätutrustning (2 sid.)
BILAGA 7: Mätvärden för beräkning av uppvärmningskurva för Lekaryd kyrka (1 sid.) BILAGA 8: Beräkning av graddagar (1 sid.)
BILAGA 9: Värmebehovsberäkning av ekonomibyggnad för ett normalår (1 sid.) BILAGA 10: Förutsättningar för datormodell av ekonomibyggnad (2 sid.)
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Våra kyrkor med deras inventarier är för oss oersättliga skatter och kulturarv som
erfarenhetsmässigt riskerar att komma till stor skada på grund av felaktig uppvärmning. Detta i sin tur resulterar ofta i dyra drift- och restaureringskostnader. Frågan man ställer sig
beträffande uppvärmning i äldre kyrkor är hur kyrkorna ska värmas för att undvika skador utan att göra avkall på komforten för besökarna och för dem som har kyrkan som sin arbetsplats? Frågan uppstår ur problemet med att det klimat som besökarna vill ha och förväntar sig, inte överensstämmer med det klimat som är bäst för kyrkan ur
bevarandesynpunkt. Det som är speciellt med uppvärmning av kyrkor är att de har en låg utnyttjandegrad samt innehåller känsliga inventarier. Medeltida stenkyrkor har dessutom speciella byggnadstekniska egenskaper, vilket gör att de metoder som används för
uppvärmning av våra bostäder och kontor inte alltid är tillämpbara. Eftersom varje kyrka är unik, finns det heller ingen generell lösning för att komma tillrätta med problemen.
Lekaryd kyrka tillhör Alvesta församling och dras som många andra kyrkor med onödigt höga energikostnader i förhållande till sin utnyttjandegrad. Kyrkan använder sig idag av
intermittent uppvärmning vilket innebär att den endast värms inför förrättningar. Däremellan hålls temperaturen på en låg grundnivå. Med intermittent uppvärmning skapas ett behagligt klimat för kyrkans personal och besökare, samtidigt som långvariga variationer i den relativa fuktigheten undviks, vilket annars tenderar att torka ut träföremål med sprickbildning som följd. För att skona kyrkan och dess inventarier är det därför viktigt att kyrkan inför en förrättning värms upp så snabbt det går. Denna uppvärmningstid är beroende av värmesystemets totaleffekt, samt innetemperaturen när värmen sätts på.
För att få kännedom om kyrkans energiförluster krävs det en kartläggning av kyrkans energiflöden, dvs. en fastställning av dess energibalans. För att göra detta krävs underlag i form av kunskap om kyrkans klimatskal, installationer och användning. En kyrka av detta slag utnyttjas olika för varje vecka, samt har speciella egenskaper i form av tjocka stenväggar med stor förmåga till fukt- och värmelagring. Detta gör det till en komplicerad uppgift att exakt fastställa kyrkans energibalans. Klimatmätningar i syfte att kartlägga inomhusklimatet har genomförts i många stenkyrkor sedan länge, dock är det oklart om försök någonsin har gjorts med stöd av datorsimulering.
1.2 Syfte och mål
Syftet med detta arbete har varit att försöka kartlägga hur inneklimatet ser ut i en specifik kyrka, vart energin tar vägen som tillförs kyrkan under ett uppvärmningstillfälle, samt bestämma energibalansen för densamma. Syftet har samtidigt varit att studenten ska få en ökad känsla för hur de teoretiska kunskaperna skulle kunna användas i en framtida yrkesroll, samt få fördjupade kunskaper inom området för energi och klimat i kulturhistoriska
Målet är att resultaten från klimatmätning och datorsimuleringar ska kunna användas som underlag för att arbeta fram åtgärdsförslag för en lönsammare och skonsammare drift av Lekaryd kyrka. Ett delmål är också att ta reda på kyrkans uppvärmningstid, dvs. tiden det tar att nå önskad temperatur inför en förrättning. Uppvärmningstiden är viktig att känna till för att den som sköter anläggningen ska kunna styra kyrkans klimat på ett bra sätt. Kan
simuleringsprogram användas som stöd för att få kännedom om hur snabbt önskad temperatur kan uppnås i kyrkan inför förrättningar kan framtida arbeten med sådana här kartläggningar av inneklimat möjligtvis bli mindre tidskrävande.
1.3 Metod
Rapporten är uppbyggd av två delar där den första delens huvudsyfte är att kartlägga inneklimat- och uppvärmningssituationen i Lekaryd kyrka och den andra delen kyrkans energisituation. I inneklimat- och energiavsnitten simuleras en detaljerad modell av kyrkan, vilket följs av att simuleringsresultat presenteras.
För att få kännedom om och förstå problematiken kring uppvärmning av kyrkor, har en litteraturstudie bedrivits inledningsvis. För att vidare kunna studera en kyrkas klimat och energiförluster på effektivaste sätt, krävs det att det finns god teknisk kännedom om kyrkan samt noggranna mätvärden att jobba med. För att inskaffa noggranna mätvärden genomfördes klimatmätningar med dataloggrar som placerades ut i kyrkan för att mäta temperatur och relativ fuktighet. Mätningarna inleddes en månad innan examensarbetet startade och spänner sig över sex uppvärmningstillfällen. Detta resulterade i att det i ett tidigt skede av
examensarbetet fanns data att analysera. För att underlätta analysen av den omfattande mängden mätdata har Microsoft Excel använts som verktyg. Grundvärmemätning med digitaltermometer förekom i samband med klimatmätningen. Denna syftar till att få kännedom om långhusets grundtemperatur, samt temperatur i vapenhus och sakristia. För att få säkra värden över energiförbrukningen och effektuttaget under minst ett uppvärmningstillfälle, har regelbunden avläsning från det att värmesystemet gick på full effekt till dess att det stängdes av efter förrättningens slut genomförts.
För att simulera kyrkans inneklimat och energibalans används ett datorsimuleringsprogram som heter IDA - Klimat och energi.
1.4 Avgränsningar
Klimatmätningen avser endast långhuset med anledning av att det är där uppvärmningen förekommer som intermittent, medan datorsimuleringarna i IDA – Klimat och energi berör hela kyrkobyggnaden och i viss mån även ekonomibyggnaden.
2 Uppvärmningsmetoder och skador i kyrkor
2.1 Historik kring uppvärmning i kyrkor
I våra kyrkor har uppvärmningsmetoderna varierat under åren. Nya uppvärmningstekniker, bränslealternativ samt besökarnas krav på inneklimatet har styrt utvecklingen. När våra kyrkor uppfördes saknade dessa helt uppvärmningssystem. Det kom sig ofta att klimatet var detsamma inne som ute eftersom innetemperaturen följde utetemperaturen. Eftersom den enda värmekällan var solen, gick uppvärmningen väldigt sakta då kyrkornas fönster var små och stenväggarna tjocka. Väggarnas värmelagring innebar i sin tur att vinters kyla kunde hänga sig kvar långt in på våren och sommarens värme långt in på hösten. Detta fenomen uppstod dock inte i träkyrkor eftersom dessa jämförelsevis hade dålig värmelagringsförmåga. Vid förrättningar fick kyrkbesökarna hålla till godo med den värme belysningen, i form av fyrfat, ljus och facklor alstrade, samt värmen från varandra. Det var vidare ovanligt med sittplatser i kyrkor på denna tid, vilket medförde att besökarna deltog mer aktivt i mässan och på detta sätt höll värmen. I en del kyrkor uppfördes öppna spisar i de rum där framförallt personalen uppehöll sig, t.ex. i sakristian. En del av dessa finns fortfarande bevarade. Under 1700-talet skedde utvecklingen av kakelugnen och järnkaminen. Då kakelugnarna bygger på en långtidseffekt, lämpade sig inte dessa för att värma kyrkorum. Det gjorde däremot järnkaminen och fortsatte att göra så under stora delar av 1800-talet. Kaminerna eldades vanligen endast inför förrättningar, oftast med ved, men andra bränslealternativ förekom också. Dessa utvecklade en stark hetta men trots det förblev dock spridningen av värmen dålig. I Lekaryd kyrka inskaffades i slutet av 1800-talet en järnkamin för
uppvärmning av långhuset och denna placerades mellan norra fasadens fönster. Även i sakristian installerades det en mindre kamin. Av dessa finns idag inga spår.
För att få en bättre värmespridning utvecklades under 1800-talet kaloriferen som principiellt liknade kaminen. Den var oftast inbyggd i en värmekammare eller nedsänkt i golvet och värmen ifrån den spreds genom luftströmmar som leddes genom kanaler förlagda i golv eller vägg. Med kaloriferanläggningar kunde nu kyrkorna hållas uppvärmda permanent, vilket resulterade i att anläggningarna installerades i många kyrkor.
Centralvärmesystem började installeras i kyrkorna under slutet på 1800-talet, där de tidigaste systemen värmdes med ånga. Så småningom ersattes ångan av hetvatten. Dessa system bestod av en panna som kunde eldas med flera bränslealternativ, dock kom oljan senare att bli det vanligast dominerande. Värmemediet leddes genom rörledningar till radiatorer eller kamrör, vilka var placerade längs väggarna eller under bänkarna. De första centralvärmesystemen baserades på självcirkulation, men för att värmevattnet skulle cirkulera bättre installerades så småningom pumpar. Dessa cirkulationspumpar möjliggjorde att pannans placering blev friare, till skillnad från tidigare då pannan kunde placeras antingen vid eller under kyrkan. Under 1940-talets senare hälft blev oljan mer ekonomiskt tillgänglig och centralvärmesystemen började allteftersom förses med automatiserad oljeeldning. Systemen blev mer lättskötta vilket resulterade i att temperaturnivåerna i kyrkorna ökade där konstanta temperaturer över 20°C inte var ovanligt. Elvärmens intåg i kyrkorna skedde under slutet på 1920-talet då
elektriskt uppvärmda radiatorer började installeras. De första installationerna placerades, i likhet med sina föregångare, längs ytterväggarna och under bänkarna och kunde bestå av sandfyllda kamrörs- eller täljstenselement. Radiatorernas användningsgrad sträckte sig till en början med att endast värma inför förrättningar varefter de sedan stängdes av, till att i takt med att elenergin blev billigare och komfortkraven högre, vara påkopplade för en kontinuerlig drift. Nackdelar med dessa elradiatorer kunde vara de höga yttemperaturer och störande knäppningar som ofta uppstod. Nu för tiden förekommer elektricitet i många typer av värmesystem och då både som direktverkande och för uppvärmning av olika media.
Strålvärme är ett annat alternativ som på senare år har utnyttjats i kyrkor. Eluppvärmda folier har då monterats under bänkarna och bakom bänkryggarna. Fördelen med strålvärme är att kyrkans övriga delar kan ges en lägre temperatur med bibehållen komfort för besökarna. Vid sidan av ovan nämnda värmesystem har det under åren också förekommit olika typer av luftvärmesystem i kyrkor. Kalorifererna var luftvärmeanläggningar som byggde på
självdragsprincipen och vars efterföljare kom att kompletteras med fläktar som förbättrade spridningen av luften. Oljeeldade hetluftsaggregat var de vanligaste anläggningarna som först användes i kyrkobyggnaderna. Dessa aggregat saknade filter och med en relativt liten fläkt blåstes den heta luften ut i kyrkan direkt via väggaller. Luften kunde också fördelas i golvkanaler vars utlopp förlades till bänkkvarteren eller var helst det önskades värme. Idag förekommer fortfarande luftvärmesystem, men de är då oftast eluppvärmda.
2.2 Intermittent
uppvärmning
Kyrkor värms idag antingen permanent eller intermittent. Permanent uppvärmning är precis vad det låter som, att kyrkan hålls kontinuerligt vid en viss temperatur. Intermittent
uppvärmning innebär att kyrkan värms upp tillfälligt inför förrättningar, för att mellan
förrättningarna hållas vid en låg grundtemperatur. Väggarna i en stenkyrka har en förmåga att lagra stora mängder värme och denna värmelagringsförmåga gör att det tar längre tid för väggarna att bli uppvärmda, jämfört med inomhusluften. Vid intermittent uppvärmning stiger lufttemperaturen relativt snabbt, medan uppvärmningen av väggarna går långsammare. Vägg- och lufttemperaturer under ett uppvärmningsförlopp ser i teorin ut som i figur 2.1:
Uppvärmningsförlopp vid intermittent uppvärmning
10 12 14 16 18 20 22 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 00:00 Tid (h) T e mp erat u r ( °C ) Luft Vägg
Intermittent uppvärmning är skonsammare mot kyrkobyggnaden och dess inventarier, då den relativa fuktigheten hålls på en jämnare nivå vilket minskar risken för uttorkningsskador. Dessutom går det åt mindre energi vid intermittent uppvärmning jämfört med om kyrkan värms permanent. Vid val av förrättningstemperatur måste besökarnas komfort och riskerna för uttorkningsskador beaktas. Att tänka på är också att val av förrättningstemperatur påverkar uppvärmningstiden och därmed också energiåtgången. Mängden energi som åtgår till att värma upp kyrkan är större än vad som går åt för att hålla den uppvärmd och detta innebär att en större installerad effekt ger en kortare uppvärmningstid och därmed en minskad
energiåtgång. När kyrkan värms upp går den största delen av den tillförda effekten till att värma upp väggarna. En liten del åtgår till att värma inomhusluften, samt transmissions- och ventilationsförluster. I en kyrka med vattenburet värmesystem åtgår i inledningen av
uppvärmningen en del av värmet till uppvärmning av systemet. Eftersom Lekaryd kyrka värms med direktverkande el är effekten som åtgår till att värma det systemet försumbar. Figur 2.2 illustrerar vart den tillförda värmen tar vägen under ett uppvärmningsförlopp i Lekaryd kyrka:
Figur 2.2: Fördelning av tillförd värmeeffekt i Lekaryd kyrka vid uppvärmningstillfället den 4 mars 2007. Figuren är konstruerad efter resultat från effektberäkningar från ett
uppvärmningstillfälle i Lekaryd kyrka. Den till väggarna tillförda värmeeffekten uppgår till ca 74 % av den totala. Effekten till uppvärmning av luften är ca 2 %, resterande är
ventilations- och transmissionsförluster. För att tydliggöra effekterna är dessa inte skalenliga i figuren.
De fullständiga effektberäkningarna återfinns i bilaga 1.
Vad beträffar grundtemperaturen mellan förrättningarna, bör hänsyn tas till de
säsongsvariationer som uppstår i den relativa fuktigheten. För att kompensera mot dessa säsongsvariationer bör grundtemperaturen vara något högre under vår och höst jämfört med under vintern.
2.3 Skadeorsaker i kyrkor
2.3.1 Variationer i relativ fuktighet
Den relativa fuktigheten är viktig för att kyrkan och dess inventarier ska må bra. När en byggnad värms upp sjunker den relativa fuktigheten och pågår denna process länge nog riskerar föremål av trä att torka ut med sprickbildning som följd. Därför är det viktigt att relativa fuktigheten ligger på en stabil nivå. Större avvikelser under en kort tid är acceptabelt, dock bör värdet ligga innanför intervallet 30 %<RF>75 % för att undvika uttorkningsskador. Luften som omger oss innehåller alltid en viss mängd fukt i form av vattenånga. Denna mängd brukar vanligtvis anges med ånghalten, v kg/m³. Ånghalten är ett mått på hur många kg vattenånga det finns per m³ luft. Vattenångan i luften kan inte ses med blotta ögat och den märks oftast inte heller. Desto varmare luft, desto mer vattenånga kan det finnas i luften. Vid en given temperatur kan luften inte innehålla mer än en viss mängd vattenånga och denna maximala ånghalt kallas för mättnadsånghalten, kg/m³. Förhållandet mellan temperatur och mättnadsånghalt ges i figur 2.3:
s v 0 5 10 15 20 25 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Temperatur (°C) Mättnadsånghalt (g/m ³)
Figur 2.3: Mättnadsånghalten som funktion av lufttemperaturen.
Vid många fukttekniska beräkningar är luftens relativa ånghalt, φ, av stort intresse och denna definieras som förhållandet mellan verklig ånghalt och mättnadsånghalt, ekv 2.1:
s
v v
=
ϕ ekv 2.1
Den relativa ånghalten väljs ofta att anges i procent och kallas även relativ fuktighet (RF). Av förhållandet mellan mättnadsånghalt och lufttemperatur i figur 2.3 ges, att när
Saltvittring
Murbruk och puts kan innehålla olika typer av salter som tillkommit från marken eller tillförts under byggnationen. Salter är hygroskopiska och vid höga värden på relativa fuktigheten tar salterna upp fukt och löses upp. När den relativa fuktigheten sen sjunker avges fukten igen och saltet bildar kristaller som kan ses som vitaktiga utfällningar på väggar. Torr luft förvärrar alltså saltvittringen och långa variationer i den relativa fuktigheten bör därför undvikas. Det är i detta sammanhang typen av salt som avgör vilka gränsvärden för relativ fuktighet som bör sättas.
Kondensation
En byggnads ytor, t.ex. fönster, brukar vara kallare än rumsluften. När luften intill det kalla fönstret kyls ner stiger den relativa fuktigheten och om den når 100 % blir luften mättad och kan inte bära mer vattenånga. Vattenmolekylerna fälls då ut i form av vattendroppar på den kalla ytan och detta kallas för kondensation. Kyrkobyggnader bör inte utsättas för stora fukttillskott då dessa leder till kondens vilket ger upphov till skador på byggnadens
klimatskärm. För att undvika skador måste fukttillskotten inomhus vara låga i förhållande till mängden fukt utomhus.
Fukt i material
Eftersom fukt binds i ett materials mycket små porer, kan vissa porösa material såsom textilier, trä, puts och murbruk innehålla mycket fukt utan att de uppfattas som fuktiga. Sådana material kallas hygroskopiska och fukten i ett sådant material beror på den relativa fuktigheten i den omgivande luften. Desto högre relativ fuktighet, desto mer fukt kommer det att finnas i materialet. Vid låga temperaturer är risken för mögel, röta och korrosion stor vid en RF av 80 % och vid höga temperaturer ligger gränsvärdet vid 75 % RF1. Vissa material, t.ex. lim och färger, tenderar att mjukna vid en allt för hög relativ fuktighet. Samtidigt riskerar vissa organiska material att bli stela och spröda vid en för låg relativ fuktighet, lägre än 30 %. Man vet av erfarenhet att olämplig uppvärmning kan orsaka skador på kyrkor och dess
inventarier. Trots goda kunskaper om skadeorsaker går det inte att med säkerhet säga vad som utgör ett skonsamt klimat i en kyrkobyggnad. Ofta handlar det också om olika typer av skador och material, vilket gör problemet än mer komplicerat. Det som däremot kan göras är att upprätta gränsvärden i förhoppning att minimera risken för skador. Vad det gäller
kyrkobyggnaden och i synnerhet dess inventarier, är det som det framgår av texten ovan, framförallt den relativa fuktigheten som är viktig, men också temperaturen har betydelse då den påverkar den relativa fuktigheten, samt är en faktor vid nedsmutsning (se nedan, punkt 2.3.2).
2.3.2 Svärtning
I Lekaryd kyrka har uppvärmningen orsakat svärtning på väggarna ovanför radiatorerna i kyrkans främre del. Svärtning uppstår ofta i tak och på väggar och uppkommer av att värmen från radiatorerna aktiverar damm- och smutspartiklar som avsätter sig på kalla ytor. Hur kraftig svärtningen sedan blir, beror på hur varma radiatorerna är. Svärtning är i första hand ett estetiskt problem i våra kyrkor, men det innebär också att målningar på ytor kan ta skada i samband med att ytorna rengörs.
3 Lekaryd kyrka
3.1 Beskrivning av kyrkan
Ett par kilometer norr om Alvesta, upphöjd på en backe ligger Lekaryd kyrka. Kyrkan ligger i centrum av ett stort jordbrukslandskap innehållande flera större gårdar. Kyrkan är en
välbevarad senmedeltida salkyrka med nyklassicistisk interiör och uppförd av gråsten omkring 1550-talet. Kyrkogården som är relativt liten, har en rektangulär plan och omges av en gråstensmur. Sin nuvarande karaktär fick kyrkan på 1790-talet då vapenhus och sakristia byggdes till. Kyrkans långhus har en rektangulär form med vapenhuset i väst och sakristian i nordost (se ritning i figur 3.1). De metertjocka murarna är putsade och vitmålade in- som utvändigt. Ytterfasaden har ett fåtal putsskador men är annars i relativt gott skick. Långhuset har två dörröppningar, en i nordost till sakristian och en i väster till vapenhuset. Spår i
långhusets södra ytterfasad skvallrar för att huvudentrén en gång i tiden var förlagd dit. Under 1900-talet genomfördes en del restaureringsåtgärder vilket har lyft fram äldre målningsskikt, samt gjort kyrkan mer bekväm för gudstjänstbesökarna. Kyrkan har som många andra av sitt slag haft en föregångare av trä. För beskrivande bilder av kyrkan, se bilaga 2.
3.1.1 Byggnadsteknisk beskrivning
Tak och vindsutrymme
Yttertakets täckning är i mycket gott skick och utgörs av tjärad ekspån. Taket har delvis blivit omlagt i samband med skador. Troligen tillkom det nuvarande innertaket vid samma tidpunkt som vapenhuset och sakristian byggdes till. Innertaket med sin ljusblåa kulör består av ett trätunnvalv av spontade bräder som vilar på kraftiga och dekorerade lister. Tjockleken på innertakets bräder uppgår till 30 mm och isoleringen ovanför är av tjockleken 200 mm och lades dit någon gång i början av 1980-talet. Mellan isolering och innertak ligger en vindpapp. Allt är i gott skick. Vapenhuset har ett plant panelat innertak, samt ett oisolerat vindsutrymme. Hela sakristians innertak är tunnvälvt och slätputsat och har ett ventilerat vindsutrymme. Ytter- och innerväggar
Murarna av gråsten har i långhus och sakristia en tjocklek av ca 1.15 meter. Vapenhuset har givits något tunnare väggar, ca 0.95 meter. Alla väggar, både inner och ytter, är putsade med tjockleken 3-4 mm. Invändigt är väggarna slätputsade och utvändigt mer grovputsade. Långhuset har en golvarea av ca 145 m². Total golvarea för kyrkan uppgår till ca 181 m². Golv
Långhuset står på krypgrund och golvbeläggningen består av klarlackade plankor.
Golvbjälklaget är isolerat med 50 mm mineralull som i sin tur ligger på ett gammalt trägolv. Isoleringen kan dock vara något bristfällig. Golvbeläggningen i sakristia består av tegelsten som ligger på en mer eller mindre solid grund. I vapenhuset utgörs golvbeläggningen av kalkstensplattor lagda på ett cementgolv, vilket i sin tur ligger direkt på mark.
Portar och fönster
Kyrkans huvudingång från vapenhuset i väst utgörs av en rundbågig pardörr av trä som utvändigt är klädd med diagonalställd panel. För att minimera värmeförlusterna från vapenhuset sitter det innanför ytterporten ytterligare en pardörr med ett avstånd på dryga metern. Denna är relativt ny och har stora glaspartier. Från vapenhuset in till långhuset sitter det sedan en rundbågig pardörr med vackert sirade speglar. Från långhuset in till sakristian sitter det en trädörr, även denna är rundbågig. Åt långhuset är denna dörr järnklädd. Från sakristian och ut i det fria åt väst finns två dörrar. Den innersta är en spegeldörr och den yttersta en trädörr med fiskbensmönstrad panel. Avståndet dem emellan är 150 mm. Kyrkans samtliga dörrar är i bra skick, dock är passformen mot karm dålig vilket medför ofrivillig ventilation genom springorna.
Under slutet på 1800-talet förändrades utformningen och storleken på de fyra stora fönstren som sitter på långhusets fasad. Dessa fönster är kopplade, 2-glas och i gott skick. Två finnes i söder och två i norr. Av spår i fasaden att döma kan slutsatsen dras att dessa delvis sitter på samma plats som äldre fönster. Ett fönster av mindre format är placerat i södra väggens östra del och är liksom de andra fyra rundbågigt. I vapenhusets södra fasad sitter ett gallerförsett, rundbågigt 2-glasfönster där det yttersta har blyinfattning. Ett likadant sitter på den västra fasaden, ovan porten. Detta är dock ett enkelglas. Sakristian har ett rundbågigt fönster mot norr. Kyrkans samtliga fönster är indragna 40-50 cm ifrån fasadlivet.
3.1.2 Värmesystem
Lekaryd kyrka värms med direktverkande el och dagens värmesystem installerades i mitten på 1980-talet. Värmesystemet består av nio elradiatorer, två oljefyllda radiatorer och 22
bänkvärmare. Radiatorernas sammanlagda effekt uppgår till 9.7 kW och bänkvärmarnas till 11 kW. Totalt installerad värmeeffekt är ca 21 kW varav 16.5 kW går till långhuset. Inför ett uppvärmningsdygn ställs en timer att styra värmesystemets start och stopptid. Radiatorerna är fördelade rumsvis och två finns i vapenhuset, två i sakristian, samt sju stycken i långhuset där alla bänkvärmare också finns. Innanför långhusets entré finns en radiator takhängd, resterande är vägghängda. Figur 3.1 beskriver värmekällornas placering:
Figur 3.1: Radiatorer och bänkvärmares placering i Lekaryd kyrka. 3.1.3 Ventilationsystem
Kyrkan har inget mekaniskt ventilationssystem utan ventileras genom självdrag från kyrkolokalerna. Med detta menas att kyrkan ventileras med obehandlad uteluft och självdraget åstadkoms genom att luften inomhus är varmare än luften utomhus. Luften
kommer in genom otätheter i klimatskalet och genom de termiska drivkrafter som skapas leds luften uppåt och ut ur byggnaden. När detta sker uppstår det ett undertryck i kyrkans nedre del som suger in ny luft.
Fuktproblem i krypgrunden resulterade i att en frånluftsfläkt installerades 1985. Denna ventilerar enbart krypgrunden och har effekten 0.1 kW. Fläkten körs kontinuerligt och stängs endast av under den tid förrättning pågår eftersom dess ljudnivå anses störande.
Frånluftsfläkten styrs manuellt och är placerad i ett utrymme inne i långhusets sydvästra hörn. Fläkten har ett flöde av 83 l/s och en tryckökning på 225 Pa. Fläktsystemets samtliga kanaler har dimensionen φ200 mm. Luften tas in genom ett ventilationsgaller som sitter i marknivå vid långhusets sydöstra del och den använda luften skickas ut i ett ventilationsgaller i den sydvästra delen (se bilaga 3).
3.2 Ekonomibyggnaden
Denna byggnad ligger nordost om kyrkobyggnaden och innehåller ett personalrum, en allmän toalett samt förråd. Byggnaden har byggts till i olika etapper genom åren och ytterväggarna utgörs av 290 mm Leca-block som utvändigt reveterats. Takbjälklaget är isolerat med 200 mm mineralull. Grundkonstruktion antas vara platta på mark. Byggnaden används ytterst sällan. Ekonomibyggnaden illustreras i bilaga 4.
Ekonomibyggnaden värms konstant till 18°C och dess energiförbrukning mäts gemensamt med kyrkan, vilket innebär att detta värde måste räknas bort från den totala
energiförbrukningen för att effektuttaget för enbart kyrkan ska kunna beräknas: gnad
ekonomibyg totalt
kyrka P P
P = − ekv 3.1
Kännedom om kyrkans effektuttag, , är nödvändigt för att rätt effektuttag ska kunna föras in i modellen för datorsimulering. Ekonomibyggnaden transmissionsberäknas med en
beräknad dimensionerande utetemperatur på 4°C för dygnet 18 mars, 2007, vilket är medelvärdet av den högsta och lägsta temperaturen som förekom under det dygnet. Då kännedom om ekonomibyggnadens konstruktion bitvis är bristfällig, har U-värden för de respektive konstruktionsdelarna beräknats med antagna värden på dimensionerna. U-värdet definieras som ett mått på den mängd värme som per tidsenhet passerar genom en ytenhet av ett material då skillnaden i lufttemperatur på ömse sidor om materialet är en grad
kyrka
P
2. De i transmissionsberäkningen insatta U-värdena har handberäknats och då exakt kännedom om byggnadens konstruktion inte finns dokumenterad får de erhållna värdena ses som
approximerade riktvärden. U-värde för ytterväggarna är taget ur tabell från tillverkare av Leca murverk och väggarna ges U-värdet 0.71 W/m²*K enligt tabell 2, sidan 5 i tillverkarens produktblad3. Dörrarna i byggnaden är av äldre förrådsmodell med glasruta och U-värdet för dessa antas till 1.4 W/m²*K. Fönstren är av 2-glastyp och U-värdet antas till 3.0 W/m²*K, vilket för övrigt är ett vanligt förekommande U-värde för denna sorts fönster. Ventilationen är avstängd i byggnaden och den ofrivilliga ventilationen i form av infiltration
överslagsberäknas med en metod som beskrivs i kap 6, punkt 6.2.1. Infiltrationen uppgår till ca 9 l/s. Transmissionsberäkningen i sin helhet kan ses i bilaga 5.
Transmissionsberäkningen visar att ekonomibyggnadens effektbehov är 1.5 kW och detta värde subtraheras från den totala effekt som tillfördes kyrkan under uppvärmningstillfället 11 mars, 2007 då effektuttaget mättes. Effektuttaget var konstant under detta tillfälle och
uppmättes till 18 kW. Kyrkans effekt ges av ekv 3.1: 5 . 16 5 . 1 18− = = kyrka P kW
I kapitel 4.3 blir uppvärmningstillfället 18 mars, 2007, föremål för simulering och då effekten antas vara konstant vid varje uppvärmningstillfälle, används denna effekt vid simulering av kyrkans inneklimat. Vid energisimulering över året används 18 kW som effektuttag. 2 Sandin, K. 1996.
4 Inneklimat i Lekaryd kyrka
I detta kapitel beskrivs inledningsvis varför en klimatmätning görs och hur resultatet av den kan användas. Kapitlet fortsätter med den klimatmätning som genomfördes i Lekaryd kyrka, samt hur mätvärdena användes för att beskriva inneklimatet i Lekaryd kyrka, dvs. hur temperatur och relativ fuktighet varierar under bas- och spetslast. Sist genomförs inneklimatsimulering som jämförs med mätvärden från klimatmätningen.
4.1 Klimatmätningar
För att kunna uppnå och upprätthålla ett skonsamt inneklimat i en byggnad är det av vikt att veta vilket klimat som finns där från början. Temperaturen kan i regel lätt bedömas, men med den relativa fuktigheten är det ofta värre. För att få kännedom om klimatet krävs det därför en systematisk mätning av temperatur och relativ fuktighet. Framförallt är det vid byte av
värmeanläggning det behöver göras mätningar, både före och efter den nya anläggningen installerats. Mätning innan byte av anläggning görs för att kunna beskriva inneklimatet, samtidigt som det kan användas som underlag till dimensionering och utformning av den nya anläggningen. Efter installation av en ny anläggning görs mätningar i syfte att se om de tänkta förbättringarna av inomhusklimatet uppnåddes, samt att anläggningen fungerar som det var tänkt när den projekterades. Mätningar kan också ske under drift av anläggningen och en sådan mätning syftar bl.a. till att kunna redovisa och dokumentera det faktiska inneklimatet, samt att kontrollera och styra energiförbrukningen.
Det är således syftet med klimatmätningen som bör avgöra vad det är som måste mätas och inomhusklimatet kan beskrivas genom att följande faktorer mäts:
lufttemperatur inomhus
yttemperaturer på väggar och inredning relativ fuktighet
luftrörelser
Ovanstående klimatfaktorer har direkt betydelse för uppkomsten av uppvärmningsskador. Luftrörelser tenderar att bli större ovanför varma radiatorer och detta medför svärtning på väggarna. Det finns ytterligare faktorer som påverkar inomhusluftens relativa fuktighet och som har indirekt betydelse för uppkomsten av uppvärmningsskador. Dessa är:
lufttemperaturen utomhus relativa fuktigheten utomhus luftomsättningen
byggnaden och inventariernas förmåga till fuktupptagning
För att grundligt kartlägga inomhusklimatet bör mätning ske på flera ställen i byggnaden och mätningarna bör vara väl planerade för att ge de resultat som behövs för att kunna utvärdera och åtgärda inomhusklimatet.
Klimatmätningen i Lekaryd kyrka genomfördes under löpande drift av anläggningen och begränsades till att inomhus mäta:
lufttemperaturen relativa fuktigheten
Mätvärdena ger en bild av variationerna i lufttemperatur och relativ fuktighet som
förekommer i kyrkan under mätperioden och dessa diskuteras i följande kapitel. Besökarnas komfort påverkas av temperaturer på luften, omgivande ytor och luftrörelser, dvs. den
ekvivalenta temperaturen. Denna framgår inte av klimatmätningarna utan är den av besökarna upplevda temperaturen och beror på att omgivande ytor är kalla, samt luftrörelser.
Under mätperioden förekom också avläsning av kyrkans energiförbrukning under spetslast, i syfte att få kännedom om den tillförda effekten var konstant, vilket den visade sig vara.
4.2 Klimatmätning i Lekaryd kyrka
Klimatmätningen inleddes klockan 13, tisdagen den 27 februari 2007. Fem stycken
dataloggrar av märket Tinytag Ultra 2 (se bilaga 6) placerades ut inne i kyrkan. Givarna vid altaret och i bänkkvarteren placerades på ungefär en meters höjd för att få en bild av klimatet där besökarna vistas. I mittgången placerades en givare i ljuskronan på ca 2.5 meters höjd. En givare placerades mot den norra väggen i syfte att erhålla mätvärden som beskriver väggens temperaturvariationer. En logger hängdes utomhus, intill klocktornet på dess norra sida. Syftet med att placera en givare utomhus var att få referensvärden till värdena inomhus. Givarna mäter temperatur och relativ fuktighet och de ställdes att lagra värden var sjätte minut, dygnet runt. Givarnas placering ges i tabell 4.1 och i figur 4.1:
Mätpunkt Mätare nr °C RF
Utomhus, tornets norrsida 1 X X
Bakre bänkrad 2 X X
Vägg, norrsida 3 X X
Ljuskrona, mittgång 4 X X
Altare, vid krucifix 5 X X
Främre bänkrad 6 X X
Tabell 4.1: Givarnas placering i Lekaryd kyrka.
Klimatmätningarna i Lekaryd kyrka spänner över sex uppvärmningstillfällen från den 27 februari till 27 mars, 2007. Mätinstrument för grundvärmemätningen ges i bilaga 6.
4.2.1 Beskrivning av inomhusklimatet i Lekaryd kyrka
Lufttemperaturer under bas- och spetslast
Lekaryd kyrka värms intermittent och mellan förrättningarna hålls långhus och vapenhus vid en grundtemperatur på 12°C. Denna temperatur gäller inte för sakristian som konstant värms till 18°C. Vapenhuset värms inte upp inför förrättning utan håller konstant 12°C. Enligt kyrkvaktmästaren har församlingen bestämt att det under förrättning ska hållas en inomhustemperatur på 20°C i långhuset och denna nivå har gällt under en längre tid. Förrättningarna varar i regel ca 40 minuter.
Termostaterna är inställda på 12°C vid baslast och 20°C vid spetslast. Om lufttemperaturen överstiger 20°C under ett uppvärmningstillfälle, går termostaten in och sänker
värmetillförseln för att på så sätt skapa ett jämnt klimat under förrättning. Termostaterna är dock ålderdomliga och deras funktion och tillförlitlighet riskerar att ha minskat något under åren. Termostaterna är placerade vid långhusets västra vägg, i närheten av den bakre
bänkraden. Vid den bakre bänkraden når temperaturen som högst under en förrättning upp till ca 22°C, vilket kan anses högt i förhållande till önskad förrättningstemperatur. Detta talar ytterligare för att kyrkan ej har fullt fungerande termostater. Övriga tillfällen ligger
förrättningstemperaturen vid bakre bänkrad i medeltal kring 21°C. Ett beräknat medelvärde på alla lufttemperaturer under de sex förrättningarna uppgår till ca 20°C, vilket också är
församlingens önskan. Lufttemperaturer under bas- och spetslast kan ses i figur 4.2:
Lufttemperaturer i Lekaryd kyrka 27 feb - 27 mars
-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 27-f eb 28-f eb
01-mar 02-mar 04-mar 05-mar 06-mar 07-mar 08-mar 09-mar 10-mar 12-mar 13-mar 14-mar 15-mar 16-mar 17-mar 19-mar 20-mar 21-mar 22-mar 23-mar 24-mar 25-mar 27-mar
Datum Tem p er atur (°C) Temp ljuskrona Temp bakre bänkrad Temp främre bänkrad Temp altare Temp utomhus
Givaren i ljuskronan sitter på en höjd av 2.5 meter och temperaturen har här stigit till över 27°C under ett uppvärmningstillfälle. De höga temperaturerna uppkommer av att värme från besökare, ljus och värmekällor stiger uppåt och det relativt bra isolerade innertaket bidrar till att värmen inte genast försvinner ut. Uppvärmningstillfället då 27°C uppnåddes får ses som en ovanlighet, då den temperaturen starkt skiljer sig från övriga tillfällen där temperaturen vid ljuskronan ligger kring 23°C.
I figur 4.2 syns tydligt hur kyrkan relativt väl hålls vid önskad grundvärmenivå med endast ett fåtal högre avvikelser vid ljuskronan. Dessa avvikelser kan bero på en gynnsam solinstrålning vid respektive tillfälle. Grundtemperaturen vid den bakre bänkraden ligger något högt, runt 13°C vissa perioder. Här är värmetillförseln god under hela mätperioden. Under mätperioden synes kyrkans lägsta lufttemperatur infinna sig framme vid altaret, där grundtemperaturen ligger kring 11°C. Att temperaturen där inte heller kommer över 18°C vid förrättningar tyder på en dålig värmetillförsel. Vid en utbrytning av ett uppvärmningsdygn illustreras detta tydligare (figur 4.3):
Lufttemperaturer i Lekaryd kyrka 18 mars
10 12 14 16 18 20 22 24 00: 00 01: 00 02: 00 03: 00 04: 00 05: 00 06: 00 07: 00 08: 00 09: 00 10: 00 11: 00 12: 00 13: 00 14: 00 15: 00 16: 00 17: 00 18: 00 19: 00 20: 00 21: 00 22: 00 23: 00 00: 00 Tid (h) Temperatur (°C) Ljuskrona Bakre bänkrad Främre bänkrad Altare
Figur 4.3: Lufttemperaturer i långhuset under uppvärmningsdygnet 18 mars, 2007.
Den dåliga värmetillförseln förklaras med att radiatorerna framme vid altaret är avstängda. Radiatorerna är avstängda eftersom de gett upphov till svärtning och dålig lukt.
Avsaknaden av radiatorer i kyrkans främre del genererar i att temperaturen i den främre bänkraden inte blir högre än 19°C under förrättning. Klimatet för de besökare som sitter längst fram i bänkkvarteren blir således en blandning av den lägre temperatur som finns i kyrkans främre del och den högre som uppstår i de bakre delarna. En potentiell
energibesparing och ett bättre klimat för besökarna skulle möjligtvis ligga i att en jämnare värmespridning i kyrkorummet skapades. Nu är det istället värmekällorna i kyrkans bakre delar som måste bidra med värme för att besökarna som sitter långt fram i kyrkan ska uppleva en god komfort, medan det blir onödigt varmt för dem som råkar hamna långt bak.
Väggtemperaturer
För att få säkrare värden över väggtemperaturen under ett uppvärmningsförlopp, bör temperaturen mätas precis vid ytan av väggen med en extern givare som ansluts till givarenheten. Givaren som användes i Lekaryd kyrka och som var placerad vid den norra väggen var inte utrustad med en sådan extern givare. Avsaknaden av extern givare innebär att temperaturen som mättes istället utgör ett mått på lufttemperaturen precis intill väggen. Under mätperioden kom därför temperaturen vid väggen att följa lufttemperaturen som mättes vid den bakre bänkraden med 1-2 graders negativ differens. Detta eftersom väggen kyler till viss del, vilket i sin tur beror på lagringen. Värme från den bakre bänkvärmaren kan också ha avspeglat sig i de erhållna mätvärdena. Temperaturer vid vägg under mätperioden ses i figur 4.4:
Vägg- och lufttemperaturer i Lekaryd kyrka 27 feb - 27 mars
10 12 14 16 18 20 22 24
27-feb 28-feb 01-mar 02-mar 04-mar 05-mar 06-mar 07-mar 08-mar 09-mar 10-mar 12-mar 13-mar 14-mar 15-mar 16-mar 17-mar 19-mar 20-mar 21-mar 22-mar 23-mar 24-mar 25-mar 27-mar
Datum Tem p er atur (°C) Luft Vägg
Figur 4.4: Vägg- och lufttemperaturer i Lekaryd kyrka under mätperioden.
Temperaturen vid väggen når vid varje uppvärmningstillfälle upp till ett medelvärde av 19°C. Vid två på varandra följande uppvärmningar når väggen som högst en temperatur på 20°C, vilket kan bero på att väggen inte hunnit svalna helt från föregående uppvärmning då det endast gått ett dygn mellan uppvärmningstillfällena. Väggens stora värmetröghet ger upphov till dessa långsamma avsvalningar.
Relativ fuktighet under bas- och spetslast
Under tiden för klimatmätningarna framgår det att den relativa fuktigheten i kyrkan under baslast håller sig inom intervallet 40 %<RF>60 %, (se figur 4.5). Då mätningen genomfördes under en begränsad tid i kombination med ett för årstiden milt uteklimat, går det inte med säkerhet säga att den relativa fuktigheten under baslast ligger inom nämnda intervall övriga delar av året.
Relativ fuktighet i Lekaryd kyrka 27 feb - 27 mars 0 20 40 60 80 100 120
27-feb 28-feb 01-mar 02-mar 04-mar 05-mar 06-mar 07-mar 08-mar 09-mar 10-mar 12-mar 13-mar 14-mar 15-mar 16-mar 17-mar 19-mar 20-mar 21-mar 22-mar 23-mar 24-mar 25-mar 27-mar
Datum R e lativ fuktighet (%) Bakre bänkrad Främre bänkrad Altare Utomhus
Figur 4.5: Relativ fuktighet vid fyra mätpunkter under mätperioden.
Högst relativ fuktighet under baslast uppnås framme vid altare och främre bänkrad med anledning av att lufttemperaturen där är lägst. Vid förstnämnda mätpunkt ligger den relativa fuktigheten inom ett jämnt intervall med variationer på endast 10 % under både bas- och spetslast. Störst variationer i den relativa fuktigheten sker av samma anledning vid ljuskronan, där lufttemperaturen blir som högst. Figur 4.6 visar förhållandet mellan lufttemperatur och relativ fuktighet vid ljuskronan.
Lufttemperatur och relativ fuktighet vid ljuskronan
0 5 10 15 20 25 30 27-f e b 28-f e b
01-mar 02-mar 04-mar 05-mar 06-mar 07-mar 08-mar 09-mar 10-mar 12-mar 13-mar 14-mar 15-mar 16-mar 17-mar 19-mar 20-mar 21-mar 22-mar 23-mar 24-mar 25-mar 27-mar
Datum Tem p eratur (°C ) 0 20 40 60 Relativ fuktighet (%) Temperatur RF
Vid spetslast når lufttemperaturen vid ljuskronan som högst upp till drygt 27°C vilket får den relativa fuktigheten att sjunka till som lägst 32 %. Detta värde uppkommer bara en gång under mätperioden och får anses vara en ovanlighet, då den relativa fuktigheten vid de övriga
uppvärmningstillfällena som lägst håller sig mellan 35-40 % RF. Att notera är att det vid tidpunkten för klimatmätningen var relativt milt utomhus, vilket bidragit till att den relativa fuktigheten inomhus inte sjunkit ytterliggare.
4.2.2 Sammanfattning
En analys av inneklimatsituationen i Lekaryd kyrka visar att kyrkans lufttemperatur under baslast ligger på en relativt jämn nivå vid 12°C med ett fåtal avvikelser. En viss
temperaturskillnad uppstår mellan kyrkans främre och bakre del och denna är i
storleksordningen ca 2°C. Skillnaden i lufttemperatur kommer sig av en dålig värmetillförsel framme vid altaret och detta förhållande kvarstår även vid spetslast. Vid spetslast håller kyrkan en medeltemperatur på 20°C under förrättning, dock uppstår på en del ställen stora avvikelser på flera grader, speciellt vid ljuskronan. Slutsatsen kan dras att termostaternas funktion har blivit något försämrad vilket resulterar i att styrningen av värmetillförseln under förrättning är bristfällig. Avsaknaden av radiatorer i kyrkans främre del ger dessutom upphov till en försämrad värmespridning i kyrkorummet.
Den relativa fuktigheten i kyrkan varierar under mätperioden mellan 40 % och 60 % under baslast. Det lägre värdet gäller för kyrkans bakre delar och det högre för de främre. Vid spetslast noteras värden runt 35 % RF som ett lägsta medelvärde. Lägre avvikelser
förekommer dock vid något tillfälle. Den relativa fuktigheten ligger för övrigt på en relativt jämn nivå inom ett intervall där risken för mögeltillväxt eller uttorkningsskador inte bör vara överhängande. Klimatmätningen ger en bild av inneklimatet under en begränsad period och av den anledningen går det inte med säkerhet att säga att kyrkan under hela året ligger utanför farozonen för fuktrelaterade skador.
4.3 Datorsimulering av inomhusklimatet
4.3.1 IDA - Klimat och energi
För att göra en simulering av kyrkans inomhusklimat har simuleringsprogrammet
IDA - Klimat och energi använts. Programmet är byggt på den generella simuleringsmiljön IDA och ger användaren möjlighet till att studera inomhusklimatet i enskilda zoner i en byggnad, samt energiförbrukningen för hela byggnaden. Programmet kan även beräkna skillnader på lufttemperaturer vid golv, väggar och tak, luftflöden, samt relativ fuktighet och koldioxidhalter. Funktionaliteten i den generella simuleringsmiljön möjliggör att den
avancerande användaren kan simulera i princip vilket system som helst. Detta kräver dock att man har erfarenhet av programmet och goda kunskaper om dess uppbyggnad.
För att kunna simulera en byggnad krävs det att en förenkling görs av byggnadens geometri. Denna förenkling är nödvändig för att begränsa svårigheterna med inmatning av data om objektet, samtidigt som tiden för simulering också begränsas.
4.3.2 Förutsättningar för klimatsimulering
Här beskrivs de förutsättningar som ligger till grund för de inneklimat- och
energisimuleringar som genomförts av Lekaryd kyrka. Syftet med inneklimatsimuleringen är att se om klimatet i kyrkan under ett uppvärmningsdygn kan simuleras och detta genom att jämföra det med de värden som gavs av klimatmätningen. Genom att en datormodell av kyrkan skapas, öppnas också möjligheter för parametervariationer och detta är användbart när ändringar av förutsättningar för kyrkan önskas göra. En simulering kan genomföras antingen som periodisk eller som dynamisk. Till inneklimatsimuleringen används en dynamisk modell, vilket innebär att objektet simuleras från ett datum till ett annat, i detta fall från den 15 till 19 mars, 2007. Uppvärmningstillfället som blir föremål för jämförelse äger rum söndag 18 mars. Efter simulering diskuteras inneklimatet i långhuset, inte i vapenhus och sakristia eftersom klimatmätning inte förekom där.
Klimatdata
I formuläret för klimatdata sätts de dimensionerande utetemperaturerna till 2ºC - 7ºC då detta var min- och maxtemperaturer under uppvärmningsdygnet (se figur 4.2). I denna simulering används klimatdata för Växjö med utgångspunkt på syntetiskt sommarklimat. Uppvärmningen inför förrättningen skedde under natten och morgonen, varpå solfaktorn sänks från
standardvärdet 1 till 0.1 för att kyrkan inte ska kunna tillgodogöra sig värme från direkt solljus.
Byggnadsskalet
Byggnaden som simuleras beskrivs mer utförligt i kapitel 3, Lekaryd kyrka. För att kunna genomföra en simulering krävs det att kyrkans form och omslutande areor redovisas. Kyrkans verkliga form utgörs bl.a. av rum med valvade tak och en sådan geometri är inte genomförbar i IDA. Av den anledningen har kyrkans geometri förenklats och genom att taken har angetts som vågräta, skapas en modell av kyrkan med enbart rektangulära mått. Då kyrkans volym och huvudmått är kända, har takhöjder kunnat beräknas för att modellens omslutande areor ska stämma med verkligheten. Modellen av kyrkobyggnaden är indelad i fyra zoner: vapenhus, långhus, sakristia och ventilerad krypgrund under långhus. Denna indelning är nödvändig eftersom geometrin, lasterna och temperaturkraven under drift skiljer sig mellan de olika kyrkorummen.
I programmet anges dessutom klimatskalets konstruktion, såsom väggar, golv, tak, fönster och dörrar och dimensionerna för dessa. När byggnadsdelarna är definierade räknar programmet ut U-värdet för respektive byggnadsdel. Som tidigare nämnts är väggarna utförda till stor del i natursten, men också murbruk, puts och tomrum måste räknas till konstruktionen. Om hela väggen skulle definieras som materialet natursten, skulle väggen få ett orimligt högt U-värde som inte stämmer överens med den verkliga väggen. Istället för natursten definieras väggen i programmet som en ren tegelvägg. Lambdavärdet (λ-värde) för ett material uttrycker hur bra materialet leder värme och ju lägre lambdavärde, desto bättre isoleringsförmåga har
materialet. Lambdavärdet för tegel, 0.58 W/m*K, höjs till 0.7 W/m*K i detta fall, för att i enlighet med Per-Gunnar Burström vid Lunds Tekniska Högskola, ge tegelväggen en
värmeisoleringsförmåga mer lik den sammansättning som den verkliga väggen utgör. Denna förenkling av väggarnas materialsammansättning beaktas vid jämförelse av
Interna laster
Under den här kategorin redovisas de interna laster som förekommer i byggnaden under den simulerade perioden. I de interna lasterna ingår personlast, belysning och last från elektrisk utrustning. I formuläret för personlast i långhus väljs antalet till 42 personer under den timma kyrkan är befolkad. Av dessa 42 är personantalet i det verkliga fallet endast 12 stycken. De resterande 30 exemplifierar de stearinljus som är tända under samma timma och dessa anges som personlast då ett stearinljus genererar en effekt likvärdig med en stillasittande människa, ca 100 W4. Personer och stearinljus ger ett gratis värmetillskott och av den anledningen kan ljus inte redovisas under belysning, då belysning ger ett värmetillskott genom betald energi. Programmet tar hänsyn till fuktavgivningen från människor, men stearinljus avger inte fukt vilket innebär att fukttillskottet som programmet beräknar för personlasten inte helt
överensstämmer med verkligheten.
Som belysning under förrättning sätts antalet glödlampor i långhuset till 24 stycken a´ 25 W. I vapenhuset används 2 stycken glödlampor a´ 25 W och i sakristian 4 stycken a´40 W. All belysning tänds en timma innan förrättningen börjar och är sedan tänd i två timmar. Last från elektrisk utrustning kommer ifrån den frånluftsfläkt som är installerad i långhusets sydvästra hörn. Denna har effekten 100 W och har konstant drift. Det ska dock nämnas att fläkten endast ventilerar krypgrunden under långhuset.
Värmesystem
Inför förrättningen den 18 mars 2007 värms långhuset med full effekt med start kl. 02. Effekten uppgår till 16.5 kW. Förrättningen startar kl. 09.30 och kl. 11 slår timern av värmetillförseln för att kyrkan ska återgå till baslast. För att kunna simulera denna upp och nergång av värmetillförsel i långhuset kan inte elradiatorer användas eftersom dessa inte kan tidsregleras i IDA. Istället används vattenburna radiatorer då dessa möjliggör tidsreglering. Till skillnad mot ett värmesystem med direktverkande el, har vattenburna system en fördröjning i starten som gör att det kan ta upp till en timme innan systemet når sin drifttemperatur. Detta löses genom att pannans verkningsgrad sätts till 1 för att efterlikna verkningsgraden hos ett elradiatorsystem. Vattenradiatorerna kopplas till ett tidsschema som reglerar dom att konstant värma långhuset till 12ºC, från torsdag 15 mars till söndag 18 mars kl. 02, samt söndag 18 mars kl.11 till måndag 19 mars kl. 24. Söndagen 18 mars kl. 02 till kl. 11 ställs radiatorerna till att värma luften till 20ºC. Precis som i det verkliga fallet.
Vapenhus och sakristia hålls alltid vid 12ºC, respektive 18ºC. Krypgrunden har inget värmesystem utan dess temperatur under dygnet beror på utetemperaturen och eventuellt värmeläckage från golv i långhus och mark.
Ventilationssystem
Kyrkobyggnaden ventileras genom självdrag (infiltration) och av den anledningen används inget mekaniskt ventilationssystem i simuleringen. Luftomsättningen i kyrkan är inte uppmätt med instrument utan antas till 0.2 oms/h. Detta efter att flera körningar genomförts med olika värden på luftomsättningen för att se om temperaturen under uppvärmningsförloppet varierar. Mycket riktigt visade körningar med en luftomsättning på 0.5- upp till 1.0 oms/h på allt för stora avvikelser från det verkliga uppvärmningsförloppet. En luftomsättning på 0.1, respektive 0.2 oms/h ger en bättre bild av klimatet i kyrkan under uppvärmningsförloppet och
körningarna skiljer sig ytterst lite från varandra. Det högre värdet, 0.2 oms/h, väljs i simuleringen. Som referens till detta valda värde på luftomsättningen, kan nämnas att i litteraturen som berör ämnet ventilation i kyrkor, uppskattas luftomsättningen i kyrkor till 0.1 – 0.3 oms/h beroende på slag av kyrka, infiltrationens storlek osv5.
Krypgrunden ventileras med en frånluftsfläkt och denna ger flödet 83 l/s. Fläkten styrs att vara i konstant drift, då den timmen den är avstängd under förrättning inte nämnvärt påverkar resultatet.
Öppningar i klimatskalet
Vid förrättning är kyrkans dörrar öppna under olika tider, vilket medför värmeflöden mellan kyrkolokalerna. Ytterport till vapenhus, samt dörr från vapenhus in till långhus hålls öppna mellan kl. 08.30 och 09.30 och dörr från långhus till sakristia hålls öppen kl. 09 till 10.30. Dessa värmeflöden är inte stora, men heller inte försumbara varpå de beaktas i simuleringen.
4.4 Resultat och jämförelse av simulering mot klimatmätning
Syftet här är att jämföra simuleringsresultaten mot mätvärdena för att se om inneklimatet under ett uppvärmningsdygn kan simuleras med hänsyn tagen till de verkliga förutsättningar som gäller för kyrkan i avseende på värmetröghet, fukt- och temperaturvariationer. Fungerar detta skulle datorsimulering kunna användas som stöd för att studera inneklimat i kyrkor, men också i andra tyngre byggnader. Mätvärdena från klimatmätningen beskriver de verkliga förloppen i kyrkan och utgör referensvärden att matcha simuleringen mot. Om de stämmer väl överens kan ett uppvärmningsförlopp således simuleras, under förutsättning att man känner till de ovannämnda förutsättningar som gäller för kyrkan ifråga. Där inget annat nämns gäller mätvärdena från bakre bänkkvarter.
4.4.1 Lufttemperaturer under uppvärmningsdygnet
Vid jämförelse av simuleringen mot mätvärdena är datumet 18 mars intressant, då kyrkan under simuleringens övriga dygn värms konstant till 12ºC. Detta tillfälle passar bra att jämföra med eftersom det inte har varit någon uppvärmning dagen före som kan påverka uppvärmningsförloppet. Uppvärmningsförloppet under uppvärmningsdygnet ser enligt mätvärdena ut som i figur 4.7:
Lufttemperatur under uppvärmningsdygnet 18 mars 2007 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 00:00 Tid (h) Temperatur (°C) Lufttemperatur
Figur 4.7: Temperaturökning under uppvärmningstillfället 18 mars, 2007, enligt mätvärden.
Den snabba temperaturökningen den första timmen är typisk för intermittent uppvärmning och beror på byggnadens värmetekniska egenskaper. Efter första timmen går
uppvärmningsförloppet långsammare eftersom både luft- och väggtemperatur då ökar i samma takt. Om simuleringsprogrammet tar hänsyn till dessa kyrkans värmetekniska egenskaper, bör resultatet från simuleringen likna detta verkliga förlopp. Eftertanke måste dock ges till att skillnader kan uppstå pga. att den simulerade byggnadens geometri inte överensstämmer med den verkliga byggnaden, samt att indata till modellen i vissa fall har antagits. I figur 4.8 ges uppvärmningsförloppet enligt resultatet från simuleringen:
°C 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0 Tid (h) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Rumsluftens medeltemperatur
Under uppvärmningens första fas stiger temperaturen tämligen snabbt för att sedan successivt plana ut. Första timmen ökar temperaturen med tre grader, till skillnad mot det verkliga förloppet som visar på två graders ökning (se figur 4.7). Att luften värms snabbare i det simulerade förloppet kan ha sin förklaring i att tegelmurarna inte ger modellen av kyrkan en värmetröghet som överensstämmer med den verkliga. Dessutom kan radiatorernas kapacitet i det simulerade fallet vara något högre än i det verkliga, trots att den installerade effekten är densamma. I båda fallen nås 20ºC strax efter förrättningen startat vid kl. 09.30. I det verkliga fallet värms kyrkan från grundvärme till 20ºC på ca 8 timmar. Simuleringen visar också att det tar ca 8 timmar att nå förrättningstemperatur. Det ska dock tilläggas att grundtemperaturen när uppvärmningen börjar är något högre i det simulerade fallet, vilket givetvis spelar roll för hur snabbt förrättningstemperaturen nås.
Sänkningen i temperatur kring kl. 09 beror på att dörrarna till vapenhus och entré står öppna under en timmas tid, vilket medför att programmet räknar med ett värmeläckage från långhus till vapenhus vilket gör att temperaturen sjunker. I det verkliga fallet sitter det en takhängd radiator precis innanför dörren till långhuset som kompenserar något för eventuella
värmeflöden och loggern känner antagligen inte av någon tillfällig sänkning eftersom det inte syns i mätvärdena. Temperaturen från simuleringen är en medeltemperatur som programmet räknar ut för luften i hela kyrkan, medan mätvärdena beskriver förloppet vid de bakre bänkkvarteren där lufttemperaturen enligt kap. 4.2.1 ligger något högre än i kyrkans främre delar.
4.4.2 Relativ fuktighet under uppvärmningsdygnet
Det har tidigare nämnts att den relativa fuktigheten i kyrkan under baslast ligger mellan 40 %<RF>60 % under hela mätperioden. Figur 4.9 visar att vid uppvärmningstillfället 18 mars ligger den relativa fuktigheten inom detta intervall under både bas- och spetslast.
Relativ fuktighet under uppvärmningsdygnet 18 mars
38 40 42 44 46 48 50 52 54 00: 00 01: 00 02: 00 03: 00 04: 00 05: 00 06: 00 07: 00 08: 00 09: 00 10: 00 11: 00 12: 00 13: 00 14: 00 15: 00 16: 00 17: 00 18: 00 19: 00 20: 00 21: 00 22: 00 23: 00 00: 00 Tid (h) RF (%) Relativ fuktighet
Den relativa fuktigheten sjunker som mest ca 10 % under de timmar kyrkan värms upp. Efter kl. 09 sker en höjning på 1 % som inte kan förklaras med hjälp av diagrammet i figur 4.7, eftersom temperaturen där hela tiden stiger. Höjningen kan bero på fukttillskott från uteluften när ytterdörrarna öppnas kl. 09. För övrigt beskriver kurvan det uppvärmningstillfälle som har minst variation i den relativa fuktigheten under mätperioden (se figur 4.5).
RF 0.32 0.34 0.36 0.38 0.40 0.42 0.44 0.46 0.48 0.50 0.52 0.54 0.56 0.58 0.60 0.62 Relativ fuktighet Tid (h) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Figur 4.10: Relativ fuktighet under uppvärmningstillfället 18 mars, 2007, enligt simulering.
Enligt simuleringen sjunker den relativa fuktigheten som mest ner till ca 33 %, vilket är drygt 8 % lägre än i det verkliga fallet. Dessutom går förloppet betydligt snabbare då 42 % RF nås redan efter en timme, till skillnad mot fem timmar i det verkliga fallet. Detsamma gäller när den relativa fuktigheten återgår till baslastnivå som i verkliga fallet ligger omkring 50 %. Den relativa fuktigheten i simuleringen visar här på en baslastnivå uppåt 58 %. Felmarginalen är alltså ungefär lika stor åt båda hållen. Det kan tyckas att värmelagringen i väggarna skulle medföra en långsammare återgång till den relativa fuktighetens baslastnivå, eftersom väggarna avger värme till luften efter det att värmesystemet stängts av.
När en sådan här tung byggnad värms avger väggarna fukt till luften, vilket resulterar i ett mer långsamt förlopp som i figur 4.9. Enligt Per Sahlin, EQUA Simulation AB, tar programmet inte hänsyn till denna fuktlagring i väggarna, utan räknar bara med fuktlagringen i luften. Detta är en bidragande orsak till de snabba svängningar i RF som figur 4.10 visar. Annat som bidrar är fuktavgivningen från personer. Under den timma långhuset är befolkat stiger den relativa fuktigheten från 38 % till 52 % och denna snabba ökning tyder på att fukttillskottet från människor enligt programmet är av betydelse. I personlasten i simuleringen ingår förutom det verkliga personantalet även ett antal stearinljus och dessa avger i verkliga fallet ingen fukt till omgivningen. Att sätta levande ljus till personlast har fördelen att
värmetillskottet från levande ljus inte försummas och nackdelen att fukttillskottet från denna last istället blir överdrivet mot det verkliga fallet.
