Optimization of historic buildings that house artefacts considering climate change

Abstract

Historic buildings, and the artefacts that are usually kept within these buildings, are a living representation of the past and it is essential to ensure that future generations have access to this heritage. In order to accomplish this, it is necessary to determine the conditions that the buildings are in and, if needs be, to make the required changes in order to preserve our cultural heritage. In addition, the foreseen changes of the indoor climate caused by climate change can endanger the preservation of these artefacts, since they are prone to various types of decay depending on the existing indoor conditions. One way of counteracting these changes, is the application of passive retrofit measures. However, the guideline was that retrofit measures were hardly ever used in cultural heritage because they could cause the building to lose its authenticity. Nowadays, more and more cases of historic buildings are subject to this type of measures. Indeed, these measures can lead to positive outcomes, such as decreasing the energy consumption of the buildings or mitigating the effects of climate change, but the welfare of the cultural heritage must be ensured before these measured can be applied. Hence, the main aim of this thesis is to determine the potential of passive retrofit measures in mitigating the negative effects of climate change in the indoor climate of historic buildings, whilst accounting for the artefacts’ preservation requirements. For this reason, the indoor climate of a 13th century church in Lisbon was used to develop and validate a whole-building hygrothermal model. Then, the model was run using future weather files to determine the future indoor conditions, which were then assessed using a risk-based analysis and an adaptive thermal comfort model. Finally, the effects of the passive retrofit measures in the building’s energy consumption, the artefacts’ conservation metrics and the occupants’ thermal comfort were assessed. The future weather files were developed based on the methodology described in standard EN 15927-4 and in Skartveit and Olseth model, which divides the global radiation into its direct and diffuse components. In addition, a methodology that aims to make large-sized hygrothermal studies more time-efficient is also presented. This methodology was based in the studies developed in this thesis. It was shown that the conditions for the preservation of artefacts that are housed in historic buildings will worsen, especially in Mediterranean climates when compared to humid Continental and Oceanic climates. The tested retrofit measures can mitigate, up to a certain extent, the negative effects imposed by climate change in terms of artefacts’ conservation requirements. However, the Mediterranean climates do not have the same margin as the other tested climates. In addition, it was also shown that there is a positive outcome of implementing these measures in terms of energy saving potential. These savings will even be higher if these measures are combined with a more adequate relative humidity and temperature setpoint strategy.

Os edifícios históricos, e os artefactos que geralmente são guardados no interior destes edifícios, são uma representação viva do passado e é fundamental garantir que as gerações futuras também têm acesso ao património cultural. Para isso, é necessário determinar as condições interiores destes edifícios e, se necessário, aplicar as alterações necessárias de forma a promover a preservação do património. Além disso, as mudanças expectáveis dos climas internos causadas pelas alterações climáticas podem pôr em risco a preservação destes artefactos, uma vez que estes são propensos a vários tipos de deterioração consoante as condições internas. Uma forma de combater as mudanças expectáveis do clima interior deste tipo de edifico é a aplicação de medidas de reabilitação passivas. No entanto, era prática comum a sua aplicação em edifícios históricos ser muito restrita, uma vez que podiam provocar a perda de autenticidade destes edifícios. Actualmente é cada vez mais usual a aplicação destas medidas, que podem ter resultados bastante positivos, como a diminuição do consumo de energia dos edifícios ou a mitigação dos efeitos das alterações climáticas. No entanto, é necessário garantir que o património não sofre danos com a sua aplicação. O principal objectivo desta tese é determinar o potencial de mitigação dos efeitos negativos impostos pelas alterações climáticas no clima interior de edifícios históricos através do recurso a medidas de reabilitação passivas, tendo em conta os requisitos de preservação dos artefactos. Por este motivo, o clima interno de uma igreja do século XIII em Lisboa foi utilizado para desenvolver e validar um modelo higrotérmico. Numa fase subsequente o modelo foi corrido para ficheiros climáticos futuros de forma a determinar as condições internas futuras, que foram avaliadas recorrendo a uma análise de risco e a um modelo de conforto térmico adaptável. Por fim, foi avaliado o efeito das medidas de reabilitação passivas no consumo de energia do edifício, nas métricas de conservação dos artefactos e no conforto térmico dos ocupantes do edifício. Os ficheiros climáticos futuros foram construídos com base na metodologia descrita na norma EN 15927-4 e no modelo Skartveit and Olseth, que permite subdividir a radiação global na componente directa e difusa. É também apresentada uma metodologia que visa tornar os estudos higrotérmicos com inúmeros casos mais eficiente em termos temporais. Esta metodologia baseou-se estudos desenvolvidos nesta tese de doutoramento. Ficou demonstrado que as condições de preservação de artefactos guardados no interior de edifícios históricos vão piorar, especialmente em climas mediterrâneos quando comparados com climas húmidos continentais e oceânicos. As medidas de reabilitação passivas testadas podem mitigar, até certo ponto, os efeitos negativos provocados pelas alterações climáticas em termos de conservação de artefactos. No entanto, os climas mediterrâneos não têm a mesma margem que os outros climas testados. Além disso, também foi demonstrado que a implementação destas medidas apresenta um resultado positivo em termos de poupança energética. No entanto, esta poupança será ainda maior se estas medidas forem combinadas com uma estratégia de controlo de temperatura e humidade relativa mais adequada.