Kościół w Dębnie

KSZTAŁTOWANIE SIĘ MIKROKLIMATU

WNĘTRZA ZABYTKOWEGO KOŚCIOŁA

W DĘBNIE PODHALAŃSKIM

POD WPŁYWEM

ZEWNĘTRZNYCH CZYNNIKÓW POGODOWYCH

Tadeusz Wach, Janusz Miczyński*

Akademia Rolnicza w Krakowie
 

Streszczenie: Badania przeprowadzone w XV wiecznym drewnianym kościele w Dębnie Podhalańskim miały na celu rozpoznanie zagrożeń, jakie może stwarzać zmienność mikroklimatu wnętrza obiektu kształtująca się pod wpływem klimatycznych czynników zewnętrznych jak też ze strony organizmów żywych (pleśni, bakterii, grzybów i owadów rozkładających drewno.

W ciągu trzech lat mierzono temperaturę i wilgotność względną powietrza wewnątrz i na zewnątrz kościoła, a na tej podstawie określono okresy szczególnie niekorzystne dla zabytku i jego wnętrza. Oceniono wpływ zwiedzających oraz uczestników nabożeństw na mikroklimat wnętrza kościoła, a także wskazano środki zapobiegawcze w formie wskazań praktycznych. Wszystkie pomiary wykonano z użyciem elektronicznych rejestratorów temperatury i wilgotności względnej powietrza. Stwierdzono dużą zależność mikroklimatu wnętrza od czynników zewnętrznych.  Odnotowano występowanie silnych i długotrwałych zmian wilgotności powietrza wewnątrz kościoła, mających szkodliwy wpływ na polichromię. Duża wilgotność powietrza sprzyjała rozwojowi grzybów, bakterii i pleśni atakujących drewno.
        Słowa kluczowe: mikroklimat, kościół, Dębno Podhalańskie, zagrożenie klimatyczne

WSTĘP

Wzniesiony w XV wieku kościół w Dębnie Podhalańskim stanowi unikatowy przykład kunsztu budownictwa drewnianego nie tylko w Polsce, ale i na świecie, Do najcenniejszych zabytków kościoła należy odkryte w 1949 r. malowidło znalezione na luźnej desce lipowej użytej do szalunku. Jest to fragment  najstarszego odkrytego dotychczas obrazu sztalugowego na ziemiach polskich. Dzieło datuje się na schyłek XIII w. Ogólny podziw budzi także świetnie zachowany zespół malowideł patronowych, które pokrywają nie tylko strop
i ściany, ale także sprzęty, stwarzając jedyną w swoim rodzaju scenerię [Pieńkowska 1974].
Szczególna wartość malowideł wnętrza kościoła dębniańskiego polega na ich  całościowym zachowaniu, dzięki czemu można odtworzyć pierwotny wygląd wnętrz wielu innych wiejskich kościołów zbudowanych około 1500 roku. Ołtarz główny zachował się w całości i w dobrym stanie, a prawdziwym unikatem jest dawne tabernakulum w kształcie wieloboku. W bardzo dobrym stanie zachowały się do dzisiejszych czasów szaty liturgiczne [Kornecki 1987].

Przeprowadzone badania miały na celu określenie wpływu temperatury
i wilgotności względnej powietrza zewnętrznego na kształtowanie się temperatury i wilgotności względnej powietrza wewnątrz kościoła oraz ustalenie różnic między tymi wartościami. Oceniono również wpływ zwiedzających oraz uczestników nabożeństw na mikroklimat wnętrza kościoła. Dokonano próby określenia okresów szczególnie niekorzystnych dla zabytku i jego wnętrza. Wskazano środki zapobiegające zagrożeniu zabytkowego wnętrza kościoła.

Badania zostały dofinansowane z tematu badawczego nr 1266/PO6/97/12 przez Komitet Badań Naukowych oraz przez Okręgową Dyrekcję Gospodarki Wodnej w Krakowie.

MATERIAŁ I METODY

W 1995 w Kościele w Dębnie zainstalowano automatyczną aparaturę angielskiej firmy ELE Inernational, składającą się z czujników zespolonych mierzących temperaturę i wilgotność względną powietrza, kabli transmisyjnych
i loggera sterującego. Jeden komplet czujników pomiaru temperatury
i wilgotności (reprezentujący warunki wewnętrzne obiektu) zainstalowano za głównym ołtarzem zabytkowego kościoła, drugi komplet (reprezentujący warunki zewnętrzne badanego obiektu) umieszczono na zewnątrz kościoła w północnej sobocie [Miczyński, Tałach 1998]. Pomiary prowadzono w sposób ciągły przez trzy lata 1996-1998 w odstępach godzinnych. Ponadto podczas kilkudniowych eksperymentów wykonano szereg uzupełniających wielopunktowych pomiarów chwilowych.
Na podstawie danych z literatury dotyczącej warunków sprzyjających rozwojowi organizmów niszczących drewno [Zyska 1977, 1999,
Makowiecki 1979, Dominik, Starzyk 1989, Karyś 1995] oraz warunków optymalnych dla zabytkowych wnętrz [Staniforth 1994] za  niekorzystne dla zabytkowego wnętrza kościoła w Dębnie uznano wilgotność względną powietrza przekraczającą 70%  i temperaturę powietrza powyżej 20°C.
 
WYNIKI  I  DYSKUSJA

Kształtowanie się wybranych elementów mikroklimatu w zabytkowym kościele w Dębnie Podhalańskim analizowano biorąc pod uwagę różne przedziały czasowe. Z wyników uzyskanych podczas trzyletnich pomiarów temperatury
i wilgotności względnej powietrza wewnątrz i na zewnątrz kościoła  wyodrębniono dane dotyczące poszczególnych lat, miesięcy, a nawet kilkudniowych okresów, w których badane parametry mikroklimatu osiągały wartości skrajne lub niekorzystne.
Średnia roczna (z trzech lat badań) temperatura powietrza wewnątrz kościoła wynosiła 7,8°C i była o 1,6°C wyższa od temperatury zewnętrznej (6,2°C). Najcieplejszy był rok 1998 ze średnią roczną temperaturą powietrza wnętrza wynoszącą 8,5°C oraz 6,9°C na zewnątrz kościoła, natomiast najchłodniejszy był 1996 r. ze średnią roczną temperaturą powietrza wewnątrz kościoła 7,2°C (na zewnątrz 5,5°C (tab. 1).
 
wg wskazówek wydawnictwa należy wkleić tab. 1 (tabele i rysunki w oddzielnych  plikach)
Najcieplejszym miesiącem w omawianym okresie był wrzesień, ze średnią miesięczną temperaturą powietrza wynoszącą 17,7°C w kościele i na zewnątrz 16,5°C, a najchłodniejszym - styczeń -3,6°C wewnątrz których -5,6°C na zewnątrz kościoła (tab. 2).
 
tab. 2
Spośród 36 miesięcy badań najcieplejszy okazał się lipiec 1998 r. ze średnią miesięczną temperaturą powietrza wynoszącą 18,1°C wewnątrz obiektu i 17,3°C na zewnątrz. Najchłodniejszy był styczeń 1997 r. kiedy to temperatura wynosiła wewnątrz -5,5°C  i -7,4°C na zewnątrz obiektu.
W przypadku wartości godzinowych - najwyższą temperaturę w kościele  27,2°C - zanotowano 7 czerwca 1998 r. (na zewnątrz było wtedy 27,6°C), natomiast najniższą, wynoszącą ‑18,6°C zarejestrowano w dniu 29 grudnia 1996 r. kiedy to na zewnątrz panowała temperatura poniżej dolnej czułości instrumentu pomiarowego, a więc niższa od -20°C tego samego roku. Amplituda temperatury – rozpiętość między absolutnym minimum a absolutnym maksimum - w całym okresie badań wynosiła 45,8°C wewnątrz i ponad 48°C na zewnątrz.
Odnotowano charakterystyczny cykl temperatury, tj. stopniowy jej wzrost
w miesiącach wiosennych aż po maksymalne wartości w miesiącach letnich i stopniowy jej spadek w miesiącach jesiennych do minimum w okresie zimowym. Zauważono dużą amplitudę temperatury powietrza wewnątrz kościoła sięgającą od 5 do 15°C w ciągu doby, co szczególnie wyraźnie ujawniało się
w miesiącach zimowych. Okresowe podgrzanie powietrza było powodowane zgromadzeniem się na nabożeństwach większej liczby ludzi.
Średnia w okresie pomiarowym wilgotność względna powietrza w okresie pomiarowym wewnątrz kościoła wynosiła 70,3%, a na zewnątrz 75,4%. Przez cały ten czas utrzymywała się więc na poziomie wyższym od przyjętej za  progową wartość 70%. W ciągu całego cyklu badań powietrze w kościele było najwilgotniejsze w maju, kiedy to średnia miesięczna wartość wilgotności względnej powietrza wynosiła 74,8%, a na zewnątrz kościoła – w listopadzie (80,4%, tab. 3).

tab. 3
Spośród trzech lat badań najwilgotniejszy był rok 1998, w którym średnia roczna wilgotność względna powietrza wynosiła 70,8% wewnątrz i 76,3% na zewnątrz kościoła, a najmniej wilgotny był rok 1996 - 69,4% wewnątrz  i 74,1% na zewnątrz obiektu (tab. 4).
 
tab. 4
Wilgotność względna powietrza najsilniej zróżnicowana była w 1996 roku,
w którym najwyższe średnie wartości miesięczne osiągnęła w maju 77,8%
w kościele, 83,8% na zewnątrz, a najmniej wilgotnym był kwiecień i grudzień. Średnia miesięczna wilgotność względna wewnątrz obiektu wynosiła wówczas 64,6%. Na zewnątrz najniższą średnią miesięczną wilgotność zaobserwowano
w kwietniu tegoż roku 67,3%. Średnia dobowa wilgotność powietrza wewnątrz kościoła w okresie trzech lat badań kształtowała się w zakresie od 42,4% (28.12.1996 r.) do 88,1% (15.02.1998 r.).
Najmniejszą godzinową - wartość wilgotności względnej powietrza we wnętrzu obiektu, wynoszącą zaledwie 32,4 % zanotowano 8 marca 1997 r. (na zewnątrz tego samego dnia było 42,9%), natomiast wartość najwyższa wystąpiła 15 lutego 1998 r. i wynosiła 94,8% (na zewnątrz 94,3%). Amplituda między absolutnym maksimum a minimum w omawianym okresie pomiarowym wynosiła ponad 62% w kościele i ponad 51% w jego otoczeniu. Wahania wilgotności wnętrza (dla wartości godzinowych) w cyklu miesięcznym, dochodziła nawet do 50-65% (rys. 1), a w cyklu dobowym - do ok. 30-40% (rys. 2).

 
rys. 1,2
 
Średnia wilgotność względna powietrza wewnątrz kościoła w latach
1996-1998 osiągała wartości zbliżone do (lub wyższe od) uznanej za progową 70%, po przekroczeniu której mogą powstać warunki zagrażające zabytkowemu wnętrzu.  (rys. 3).
 
rys. 3
Najbardziej niekorzystne dla zabytkowego wnętrza kościoła warunki higrotermiczne występowały w miesiącach letnich o średniej dobowej temperaturze powietrza powyżej 15°C i wilgotności względnej powyżej 70%. Prawdopodobnie poprzez swą zdolność do buforowania badany obiekt w każdym miesiącu obniżał wilgotność względną powietrza średnio o 5%, co należy uważać za korzystną cechę mikroklimatu wnętrza kościoła.
            W omawianym okresie wewnątrz kościoła notowano rocznie od 4 do 8 silnych i długotrwałych zmian (wzrostów lub spadków) wilgotności względnej powietrza. W osiemnastu przypadkach wahania przekroczyły 20% jej wartości (tab. 5). Tak duże wahania wilgotności powietrza mają najbardziej niekorzystny wpływ na zabytkowe wnętrze, gdyż powodują największe zmiany objętości pokrytego malowidłami drewna, które wskutek tego może pękać, a polichromia stopniowo się złuszczać. Najbardziej jednak szkodliwe dla wnętrza były takie stany pogody, podczas których duża wilgotność powietrza (powyżej 70%) utrzymywała się przez kilka dni, a potem spadała poniżej 60-50%. Napływ
z zewnątrz suchych i ciepłych mas powietrza, szczególnie w okresie wiosny i wczesnego lata, przyczyniał się do gwałtownego spadku wilgotności względnej powietrza wewnątrz  kościoła i prawdopodobnie do jego okresowego przesuszania.
 
tab. 5
 
Drewniane podwaliny kościoła są w większości ułożone bezpośrednio na gruncie, bez żadnej izolacji przeciwwilgociowej. Na skutek opadów atmosferycznych oraz zalegania wokół zabytku zwałów topniejącego wiosną śniegu (zamarznięty grunt) zarówno podwaliny jak i wewnętrzne ściany kościoła ulegają do pewnej wysokości cyklicznemu zawilgoceniu w stopniu sprzyjającym rozwojowi tych grzybów, które do rozwoju grzybni potrzebują wilgotności podłoża wynoszącej 22-24% wagowych [Bieda, Mielec 2000].
W wyniku cyklicznego zamarzania nagromadzonej w dolnych częściach podwalin kościoła wody dochodzi do ich uszkodzeń fizycznych, co może być jedną z technicznych przyczyn zagrzybienia drewnianego obiektu.

Obok zagrożeń związanych ze zmiennością oddziaływania wahań czynników klimatycznych, pojawiały się również inne, nie klimatyczne zagrożenia, obiektu spowodowane działalnością organizmów żywych. Odpowiednie dla rozwoju owadów, grzybów, bakterii i pleśni atakujących drewno warunki wilgotnościowe występowały praktycznie przez cały trzyletni cykl badań, gdyż średnia dobowa wartość wilgotności względnej powietrza tylko sporadycznie była niższa od przyjętej wartości progowej wynoszącej 70%. Gdy wilgotność względna powietrza przekracza 55% do życia wracają wszystkie mikroorganizmy, skutkiem czego zabytkowe obiekty oraz przedmioty w nich zgromadzone mogą ulec inwazji biologicznej. Duża wilgotność panująca w kościele sprzyjała przez cały okres badawczy rozwojowi tych grzybów, dla których optymalna jest wilgotność  w granicach 35–50%.
Procesy korozji biologicznej przebiegają najintensywniej, jeśli odpowiedniej wilgotności towarzyszy właściwa temperatura.  Średnia dobowa wartość temperatury powietrza wewnątrz kościoła zaledwie kilkakrotnie w ciągu roku przekraczała przyjętą wartość progową wynoszącą 20°C. W 1996 zanotowano 8 dni (w czerwcu i lipcu), w których średnia dobowa wartość temperatury była równa lub większa od 20°C; w 1997 r. dni takich było zaledwie 3 (najwięcej w czerwcu), a w ciepłym roku 1998 było ich najwięcej,
bo 27 ( w czerwcu, lipcu i sierpniu). Tylko w niektórych miesiącach ciepłej pory roku istniały warunki optymalne dla owadów, bakterii i grzybów rozkładających drewno, tj. oba parametry - temperatura i wilgotność względna powietrza – przyjmowały jednocześnie optymalne wartości. Nie znaczy to, że przy wartościach od nich niższych lub wyższych nie ma procesów życiowych. Procesy te się odbywają są jednak znacznie spowolnione. Grzybom i bakteriom wystarczy do rozwoju zaledwie kilka stopni Celsjusza powyżej zera, a więc ich rozwój przypada na miesiące od wczesnowiosennych do późnojesiennych (pierwsze przymrozki). Owady mają większe wymagania, a rozwój ich larw w omawianym obiekcie jest teoretycznie możliwy tylko od czerwca do sierpnia.
Kolejne potencjalne zagrożenie nieklimatyczne dla wnętrza zabytkowego kościoła to stale narastający ruch turystyczny. Kościół w Dębnie jest odwiedzany przez licznych turystów z kraju i zagranicy z różnym natężeniem w ciągu roku; ich liczba dochodzi niekiedy do 1100 osób dziennie. Wydaje się jednak, że obecnie nie stwarza to dużego zagrożenia dla polichromii, gdyż wytwarzana przez zwiedzających kościół wilgoć nie wpływa istotnie na zmiany wilgotności względnej w jego wnętrzu.
Wskutek trwających przez stulecia naprzemiennych procesów pęcznienia
i kurczenia się drewna, gdzieniegdzie między belkami oraz i w samych belkach powstały niewielkie szczeliny. Ze względu na rodzaj zastosowanego materiału drewno oraz konstrukcję typu otwartego sprzyjającą łagodnemu wietrzeniu, wnętrze zabytkowego kościoła nie magazynuje ciepła jak to się dzieje w przypadku budowli murowanych, może jednakże magazynować wilgoć, która nawilża powietrze wnętrza w sytuacji, gdy na zewnątrz powietrze jest suchsze. Dzięki buforującym właściwościom drewna, zostają w znacznym stopniu ograniczone dobowe wahania wilgotności względnej powietrza. Ponieważ kościół nie ma klimatyzacji i  nie jest ogrzewany, temperatura w jego wnętrzu  ściśle zależy od temperatury panującej na zewnątrz. Prawidłowość ta świadczy o bardzo małej autonomii cieplnej budynku.
Trzy letnie badania wybranych parametrów mikroklimatu kościoła rzuciły światło na uwarunkowania temperatury i wilgotności względnej powietrza wewnątrz zabytku. Mogą one stanowić wskazówkę dla konserwatorów podejmujących kroki mające na celu zachowanie dla przyszłych pokoleń tej perły budownictwa drewnianego, jaką jest kościół w Dębnie Podhalańskim.

Podsumowanie

1. Temperatura i wilgotność względna powietrza wewnątrz kościoła
w Dębnie Podhalańskim zależały przede wszystkim od temperatury i wilgotności względnej powietrza w jego otoczeniu na zewnątrz, co świadczy o małej autonomii cieplnej i wilgotnościowej kościoła.
2. W ciągu trzech lat badań skrajne wartości godzinowe temperatury powietrza wewnątrz kościoła zawierały się w przedziale -18,6°C (minimum) do 27,2°C (maksimum), a na zewnątrz - od temperatury niższej od -20,0°C do 27,6°C.
3. W zimowej porze roku wewnątrz zabytku występowały krótkotrwałe wzrosty temperatury powietrza wynoszące od 5 do 15°C w ciągu doby. Było to spowodowane obecnością większych grup ludzi zgromadzonych na nabożeństwach.
4.W ciągu trzech lat badań skrajne wartości godzinowe wilgotności względnej powietrza wewnątrz kościoła zawierały się w przedziale od 32,4% (minimum) do 94,8% (maksimum), a na zewnątrz - od 42,9% do 94,3%.
5. Latem wewnątrz kościoła było bardziej sucho niż w pozostałych porach roku i zdarzały się nieregularne wahania wilgotności w przedziale od 40 do 60%. Zimą wilgotność względna powietrza w zabytku kształtowała się na poziomie od 70 do 90%.
6. W niemal całym okresie badawczym wartości wilgotności względnej powietrza wewnątrz kościoła były zbliżone, lecz nieco niższe od wartości notowanych na zewnątrz.
7. Do najsilniejszych wahań średnich dobowych wartości wilgotności względnej powietrza wewnątrz kościoła dochodziło z reguły w miesiącach zimowych (w grudniu, styczniu i lutym) oraz w kwietniu.
8. Średnia wilgotność względna powietrza wewnątrz kościoła, szczególnie w miesiącach letnich, osiągała wartości zbliżone do wartości przyjętej za progową lub od niej wyższe, co stwarzało zagrożenie dla zabytkowego wnętrza.
9. Najbardziej niekorzystne dla zabytkowej polichromii wahania wilgotności względnej powietrza występowały przeważnie w okresie wiosny
i wczesnego lata.
10. Praktycznie przez cały okres badawczy panowały warunki wilgotnościowe sprzyjające rozwojowi potencjalnie szkodliwych organizmów żywych atakujących drewno.
 
Wskazania praktyczne
1. Podczas zimowych nabożeństw nie należy wprowadzać żadnego krótkotrwałego ogrzewania, gdyż mogłoby to prowadzić do gwałtownego,
a zarazem szkodliwego dla zabytkowego wnętrza kościoła, spadku wilgotności względnej powietrza.
2. Gdyby lokalna prognoza pogody przewidywała wzrost wilgotności względnej powietrza znacznie powyżej 70%, należy ograniczyć zwiedzanie kościoła, szczególnie jeśliby owe zmiany miały mieć charakter kilkudniowy.
3. Zaleca się dalsze monitorowanie wilgotności względnej powietrza
w zabytkowym kościele, zwłaszcza w przypadku zwiększonego nasilenia ruchu turystycznego, jak również określenie sposobu przewietrzania wnętrza oraz długości i częstotliwości przerw w zwiedzaniu.
 
PIŚMIENNICTWO

Bieda W., Mielec B., 2000. Przemarzanie ścian drewnianych budowli zabytkowych a trwałość konstrukcji drewnianych na przykładzie kościoła w Dębnie Podhalańskim. Ochrona zabytków
nr 3.2000, 315-319.
Dominik J., Starzyk J., 1989. Owady niszczące drewno. PWRiL Warszawa.
Karyś J., 19-21.10.1995. Czynniki fizyczne sprzyjające procesom korozji biologicznej i warunkujące ochronę antykorozyjną w obiektach sakralnych o konstrukcji szkieletowej. W: "Ochrona obiektów budowlanych przed korozją biologiczną i ogniem", III Sympozjum Polskiego  Stowarzyszenia Mykologów Budownictwa, Szklarska Poręba.
Kornecki M., 1987 Gotyckie kościoły drewniane na Podhalu. Wydawnictwo Literackie Kraków.
Makowiecki J., 1979. Warunki mikroklimatu w obiektach i pomieszczeniach muzealnych.               Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo i Wentylacja. Nr 7, 189-193.
Miczyński J., Tałach J., 1998. An attempt to evaluate the impact of selected meteorological elements on the threat to the interior of the historic church Dębno Podhalańskie. Medzinarodny seminar. ENVIRO NITRA’98, 202-204

Pieńkowska H., 1974 Problemy ochrony zabytków województwa krakowskiego. Wojewódzki ośrodek informacji turystycznej, Kraków
Staniforth S., Hayes B., Bullock L., 1994. Appropriate technologies for relative humidity control for museum collections housed in historic buildings, [W:] Preventive Conservation - Practice, Theory and Research, red. A. Roy, P. Smith, International Institute for Conservation of Historic and Artistic Works, London, 123-128.
Zyska B., 1977. "Mikrobiologiczna korozja materiałów". Wyd. Naukowo-Techniczne. Warszawa.
Zyska B., 1999. Zagrożenia biologiczne w budynku. Wydawnictwo Arkady. Warszawa.
Tadeusz Wach, Janusz Miczyński

FORMATION OF THE MICROCLIMATE INSIDE THE ANTIQUE CHURCH IN DĘBNO PODHALAŃSKIE UNDER THE INFLUENCE OF EXTERNAL WEATHER CONDITIONS

               
Abstrakt. Research carried out a 15th-century wooden church In Dębno Podhalańskie was aimed to identify the dangers that may be posed to the building by the variation in its inner microclimate which is influenced by external climatic conditions and living organisms (mould, bacteria, fungi and insects causing wood decay).
                During three years, temperature and relative air humidity were measured inside and outside the church. This provided the basis for establishing the periods that are particularly unfavourable for the building and its interior, and the effect that tourists and people attending worships have on the inner microclimate of the church. Some preventive measures were suggested in the form of practical recommendations. The measurements were performed using electronic temperature and humidity sensors. It was found that the inner microclimate depends very much on the external weather conditions. Strong and long-lasting changes in air humidity inside the church adversely affect its polychromy humidity is conducive to the growth of wool-invading fungi, bacteria and mould.
Keywords:  microclimate, church, Dębno Podhalańskie, climatic threat
 
   
* Adres do korespondencji – Corresponding author: prof. dr hab. Inż. Janusz Miczyński,

Katedra Meteorologii i Klimatologii Rolniczej, Akademia Rolnicza im. H. Kołłątaja
w Krakowie, al. Mickiewicza 24-28, 30-059 Kraków, tel. (012) 662-40-14
e-mail : rmmiczyn@cyf-kr.edu.pl