Einfluss von Sonneneinstrahlung und Umgebungstemperatur auf Jugendstil-Glasfenster

Datum: 21. November 2022

Autoren: Teresa Palomar, Miguel Silva, Marcia Vilarigues, Isabel Pombo Cardoso und David Giovannacci

Quelle: Heritage Science Band 7, (2019) – Springer | https://doi.org/10.1186/s40494-019-0325-3

Diese Arbeit präsentiert die Ergebnisse der Auswertung zweier Jugendstil-Glasfenster aus dem Casa-Museu Dr. Anastácio Gonçalves (Lissabon, Portugal) mit IR-Thermografie während der Sommersonnenwende. Den Messungen zufolge hing die Oberflächentemperatur von Glas von der Außentemperatur und vor allem von der direkten Sonneneinstrahlung ab. Farbige Gläser weisen aufgrund der Absorption ihrer Chromophore bei Wellenlängen im nahen Infrarotbereich eine höhere Oberflächentemperatur auf. Emails und Grisailles zeigten aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung und Farbe höhere Oberflächentemperaturen als ihre Trägergläser. Die Schutzverglasung mit kleinen Schlitzen in einer der Fensterscheiben erzeugte aufgrund der unzureichenden Belüftung im oberen Teil eine Heißluftblase.

Buntglasfenster sind große, komplexe Werke aus farbigem Glas, bei denen das Blei und die Grisaillemalerei die Konturen und Schatten definieren. Sie können auch aus ungefärbten Glasstücken bestehen, die mit Emaille und Grisaille bemalt sind. Diese werden normalerweise als Glasscheiben bezeichnet [1,2,3]. Der Zweck beider Glasfenster besteht darin, wie bei normalen Fenstern, den inneren Teil des Gebäudes zu beleuchten; sondern auch als Dekoration dienen, wenn das Licht sie beleuchtet. In religiösen Gebäuden ist diese letztere Funktion häufig mit einem lehrreichen Zweck verbunden; In zivilen Gebäuden handelt es sich jedoch um dekorative Elemente, meist mit geometrischen Mustern, symbolischen Elementen oder Landschaften. Die Buntglasfenster schützen das Gebäude auch vor äußeren Umwelteinflüssen.

Regen und Umweltverschmutzung sind die Umweltfaktoren, die am meisten zur Glasveränderung beitragen [4,5,6,7,8,9,10,11,12]; Dennoch spielt auch die Temperatur eine wichtige Rolle [13,14,15,16,17]. Aus physikalischer Sicht kann die Sonneneinstrahlung aufgrund der Ausdehnung der verschiedenen Materialien die Bewegung der Buntglasfenster induzieren [14]. Die Hauptschäden aufgrund von Temperaturschwankungen sind jedoch bei Oberflächenfarben (Emaille, Grisaille) zu beobachten, die aufgrund ihres unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zu Rissen, Abplatzungen und schließlich zur Ablösung der Farben vom Glasträger führen können. Dieser Effekt wurde hauptsächlich bei historischen bläulichen Emails beobachtet [18,19,20].

Um die natürliche Erwärmung der verschiedenen Materialien auf Buntglasfenstern abzubilden, ist die Verwendung von Infrarot-Thermografie (IR) erforderlich, einer tragbaren Technik, mit der die Temperatur an verschiedenen Stellen und im Zeitverlauf vor Ort gemessen werden kann. Diese Technik wurde angewendet, um die thermische Effizienz verschiedener Fenstersysteme zu bewerten [21, 22] sowie um Gläser für unterschiedliche industrielle Zwecke zu bewerten [23, 24, 25, 26] und um die Brandbeständigkeit von gehärtetem Glas zu untersuchen [27]. ], um die mechanischen Defekte und die elastischen Verformungen an Glasscheiben zu untersuchen [28,29,30,31,32] und um die Effizienz von Solarzellen zu analysieren [33, 34]. Die Anwendung der IR-Thermographie auf historischen Gläsern ist selten [20, 32, 33]; Dennoch erwiesen sich diese Studien als nützliches Instrument zur Bewertung der Erhaltung historischer Buntglasfenster [35, 36].

Das Hauptziel dieser Forschung bestand darin, die natürliche Erwärmung von zwei Jugendstil-Glasfenstern aus dem Casa-Museu Dr. Anastácio Gonçalves (Lissabon, Portugal) mit IR-Thermografie für den Zeitraum eines Tages während der maximalen Amplitude der Sonneneinstrahlung zu bewerten ( Sommersonnenwende), um den Einfluss der Umgebungstemperatur, der Sonneneinstrahlung und der Schutzverglasung auf die Gläser, Oberflächenfarben und anderen Materialien der Glasfenster zu ermitteln.

Buntglasfenster

Das Casa-Museu Dr. Anastácio Gonçalves verfügt über zwei Glasfenster im Jugendstil, die 1904 von der Societé Artistique de Peinture sur Verre signiert wurden. Eines davon befindet sich im ersten Stock im Speisesaal und das andere im Atelier im zweiten Stock (Abb. 1). Dieses letztere Glasfenster weist einen sehr schlechten Erhaltungszustand auf, da die bläuliche und violette Emaille verloren gegangen ist. Auch im unteren Teil dieses Glasfensters wurden unkonventionelle Farben beobachtet, die wahrscheinlich auf Retuschen zurückzuführen sind.

Beide Fenster sind außen mit einer Schutzverglasung versehen. Es handelt sich um rahmenlose Verglasungssysteme, die das Öffnen beider Fenster ermöglichen. Das Esszimmerpaneel verfügt über vier Schutzglasscheiben im Abstand von ca. 15 cm vom historischen Fenster, eine in jedem Seitenpaneel und zwei weitere in dem Mittelpaneel mit einem kleinen Abstand dazwischen, um die Belüftung zu begünstigen. Das Atelier-Paneel weist eine sechsteilige Schutzverglasung auf, die mit den historischen Paneelen übereinstimmt. Aufgrund architektonischer Elemente ist es weniger als 2 cm vom historischen Fenster entfernt. Zwischen den verschiedenen Schutzgläsern sowie zwischen Schutzglas und Wand befinden sich Lüftungsschlitze mit teilweise weniger als 5 mm.

Infrarot-Thermografie

Die Charakterisierung des thermischen Oberflächenverhaltens der Glasfenster wurde mit einem FLIR T650sc durchgeführt [3,4,5]. Das für die Studie verwendete System umfasst ein Erkennungsgerät sowie elektronische und computergestützte Instrumente zur Überwachung. Das Detektionssystem besteht aus einer Infrarot-Thermografiekamera (20° × 15°/0,3 m Sichtfeld, 1,1 mRad räumliche Auflösung, 50 mK bei 30 °C thermische Empfindlichkeit, 7,5 bis 13 μm Spektralbereich). Abschließend vervollständigt ein Analysemodul das System. Die Messungen können im Temperaturbereich von −40 °C bis 120 °C durchgeführt werden, mit einer thermischen Auflösung < 0,02 bei 30 °C. Für beide Fenster wurde eine tägliche Überwachung (3 IR-Bilder alle 5 Minuten) durchgeführt. Die Wärmequellen waren Umgebungstemperatur und Sonnenlicht.

Einfluss der Umgebungstemperatur

Die Studie wurde während der Sommersonnenwende (Juni 2017) durchgeführt, mit den längsten und heißesten Tagen des Jahres. Das Vorhandensein einer Hitzewelle während der ersten Tage der Überwachung führte zu höheren Umgebungstemperaturen am Glasfenster des Esszimmers und zu etwas niedrigeren Temperaturen während der Analysen des Atelier-Panels (Abb. 2a, b). Dennoch wurde festgestellt, dass die Umgebungstemperatur im Schatten gegen Mittag auf bis zu 30 °C anstieg und in den Stunden vor Sonnenaufgang auf ~ 20 °C abfiel (Abb. 2a, b).

Der Vergleich zwischen der Temperatur innerhalb und außerhalb des Gebäudes zeigte, dass die scheinbare Oberflächentemperatur, die an der Innenglasoberfläche gemessen wurde, aufgrund des im Gebäudeinneren erzeugten Treibhauseffekts im Allgemeinen höher war als die äußere Umgebungstemperatur. Dennoch standen beide Temperaturen in Zusammenhang, da sie ein ähnliches Heiz- und Kühlverhalten zeigten (Abb. 2a, b).

Während des Vormittags, als die Sonne nicht direkt auf die Scheiben schien, war ein langsamer Temperaturanstieg aufgrund der Ableitung der Umgebungswärme durch die Gläser zu beobachten. Dieser Wärmefluss hängt vom Temperaturgradienten sowie von den Eigeneigenschaften des Glases ab [37].

Allein durch den Einfluss der äußeren Umgebungstemperatur stieg das farblose Glas im Esszimmerpaneel auf bis zu 32 °C (Abb. 2a). Bei der Atelier-Platte stieg die gemessene Temperatur an den farblosen Gläsern in der Mitte der Platte auf bis zu 30 °C (Abb. 2b).

Während der Nacht wurde ein allmählicher Abfall der scheinbaren Glasoberflächentemperatur beobachtet (Abb. 2a, b). Die Tiefsttemperatur wurde um den Sonnenaufgang herum festgestellt. Die Temperatur des farblosen Glases im Esszimmerpaneel sank auf ~ 28 °C und im Atelierpaneel auf ~ 25 °C.

Einfluss der Sonnenstrahlung

Die direkte Sonneneinstrahlung war der wichtigste Faktor für die Temperatur der Glasfenster. Dennoch kam es aufgrund des Schattens der umliegenden Bäume und Gebäude zu leichten Schwankungen (Abb. 2a, b). Das Buntglasfenster im Esszimmer hatte mehr als 5 Stunden direkte Sonneneinstrahlung und das Atelier nur 4 Stunden. Diese unterschiedliche Dauer der Sonneneinstrahlung ist auf die Ausrichtung der Fenster im Gebäude zurückzuführen (Abb. 1).

Im farblosen Glas des Esszimmerfensters wurde während der ersten Stunde direkter Sonneneinstrahlung ein Anstieg von ~ 2 °C alle 20 Minuten registriert (Abb. 3a). Der Unterschied zwischen der Temperatur kurz vor der Bestrahlung und dem Maximum während der Bestrahlung betrug etwa 10 °C. Das gegenteilige Verhalten wurde beim Verlust der Sonnenstrahlung beobachtet; Es wurde ein maximaler Abfall von 3,6 °C in 20 Minuten und ein Gesamtabfall von 9 °C festgestellt (Abb. 2a).

Beim Atelier-Panel war die Auswirkung der Sonneneinstrahlung aufgrund der Panel-Ausrichtung, der kürzeren Einwirkungsdauer (4 Stunden), dem aufgrund ihrer Abmessungen geringeren Treibhauseffekt im Raum und möglicherweise die niedrigere Außenumgebungstemperatur. Während der ersten 40 Minuten der direkten Sonneneinstrahlung wurde ein progressiver Anstieg von ~ 1,3 °C alle 20 Minuten festgestellt (Abb. 3b) und ein Gesamtanstieg von 3 °C (Abb. 2b). Nach dem Verlust der Sonnenstrahlung war der Rückgang stärker, da er mit dem Sonnenuntergang und dem entsprechenden Temperaturabfall zusammenfiel (Abb. 3b). Es wurde eine Abnahme von etwa 2 °C alle 20 Minuten während der Stunde nach Sonnenuntergang und eine Schwankung von maximal 5 °C beobachtet.

Diese thermischen Schwankungen waren höher als die, die in zwei überwachten französischen Kirchen beobachtet wurden (der Basilika Sainte Urbain in Troyes und der Saint Chapelle in Paris) [38]; Dennoch war der Temperaturanstieg/-abfall aufgrund der Schutzverglasung und wahrscheinlich der Verschattung der Fenster langsamer.

Der Großteil der Sonnenstrahlung liegt zwischen 0,01 und 4 µm im ultravioletten (UV), sichtbaren und nahen Infrarotbereich (nahes IR) des elektromagnetischen Spektrums. Etwa 8 % der Sonnenstrahlung fallen im UV-Bereich (0,01–0,4 µm), ~ 40 % enthalten die Strahlung des sichtbaren Bereichs (0,4–0,7 µm) und ~ 52 % der Strahlung fallen im nahen IR (0,7–0,7 µm). 4 µm) [39]. Die Durchlässigkeit von Gläsern für Strahlung von 0,3 µm bis 2,8 µm liegt bei etwa 0,9 und die Reflexion bei etwa 0,07, was bedeutet, dass sie für die Strahlung praktisch transparent sind [40, 41]. Dennoch sinkt die Durchlässigkeit des Glases für Strahlungen mit Wellenlängen zwischen 2,5 und 4,0 µm auf ~ 0,4, und für Wellenlängen über 5,0 µm ist die Durchlässigkeit nahezu Null [40, 42].

Demnach sind Gläser für den Großteil der Sonnenstrahlung (sichtbare und nahe IR-Bereiche) transparent und absorbieren die mittel- und langwellige IR-Strahlung. Die kurzwellige IR-Strahlung kann von den Materialien im Raum absorbiert und in Wärme umgewandelt werden. Die Materialoberfläche reagiert auf diesen Temperaturanstieg mit der Emission langwelliger Wärmestrahlung. Die von den Materialien emittierte Strahlungswärme mit Wellenlängen über 4,0 µm (langwellige IR-Strahlung) wird von den Gläsern größtenteils absorbiert und teilweise reflektiert, jedoch nicht nach außen weitergeleitet. Dadurch erhöht sich die Temperatur der Glasoberfläche im Innenbereich, die wiederum nach innen abgestrahlt wird und so die Raumtemperatur noch weiter erhöht. Dieses Phänomen ist der Treibhauseffekt [41].

Betrachtet man das gesamte Panel, so zeigte das Buntglasfenster im Speisesaal nachts eine ähnliche Oberflächentemperatur, unabhängig von der Glasfarbe (Abb. 4a, b), anstelle einer vertikalen Kaltlinie im unteren Panel und einer leichten Temperatur Erhöhung der oberen Scheibe durch die Schutzverglasung (Abschnitt „Auswirkungen der Schutzverglasung“). Am Morgen ohne direkte Sonneneinstrahlung war die Oberflächentemperatur der Gläser ähnlich, einige Farben zeigten jedoch eine etwas höhere Temperatur (> 0,5 °C) (Abb. 4c). Während der Sonneneinstrahlung erhöhen sich die Oberflächentemperaturen je nach Farbe um ~ 10 °C, mit einem Maximalwert von 48 °C (Abb. 4d). Dieses Phänomen wird im Abschnitt „Auswirkungen auf farbige Gläser“ ausführlich erörtert.

Ein ähnliches Verhalten wurde beim Atelier-Panel beobachtet. Während der Nacht war die Temperatur des Panels homogen (Abb. 5b); Tagsüber zeigten die Oberflächenfarben jedoch auch ohne Sonneneinstrahlung eine höhere Temperatur (Abb. 5c, d). Dieses Phänomen wird im Abschnitt „Auswirkungen von Oberflächenfarben“ weiter erläutert.

Auswirkungen auf farbige Brillen

Am Buntglasfenster des Esszimmers konnte beobachtet werden, dass die Oberflächentemperatur einiger Gläser im Laufe des Tages stärker anstieg (Abb. 4b, c). Dieses Phänomen könnte durch die Dicke des Glases und/oder seine unterschiedliche Farbe verursacht werden.

Bezüglich der Dicke ist bei dünnen Gläsern aufgrund des geringeren Abstands zwischen beiden Oberflächen die Wärmeleitung von außen schneller. In der Tafel „Esszimmer“ wurden einige Gläser (die Hortensien auf der linken Seite der Tafel und die Iris auf der rechten Seite) mit Säure geätzt, um unterschiedliche Farbtöne und Volumen zu erzeugen; Es wurde jedoch keine lokale Erwärmung in den dünneren Bereichen festgestellt. Darüber hinaus verwenden Glaser bei Buntglasfenstern normalerweise Gläser mit ähnlicher Dicke, um sie besser mit dem Bleikamm zu befestigen [43]. Daher korrelierten die unterschiedlichen thermischen Verhaltensweisen nicht mit der Glasdicke.

Was die Farbe des Glases betrifft, können die Chromophore die Erwärmung des Glases verändern, indem sie einen Teil der Sonnenenergie absorbieren und die Energieübertragung verringern [44]. Es wurde beobachtet, dass es sich bei den Bereichen mit höherer Temperatur hauptsächlich um die grünlichen Gläser der Vegetation handelte (Abb. 4b, c). Aufgrund der unterschiedlichen Einwirkung der natürlichen Sonneneinstrahlung ist es nicht einfach, die Gläser verschiedener Fensterbereiche zu vergleichen. Dennoch bestätigte die Analyse eines lokalen Bereichs mit verschiedenfarbigen Gläsern (Abb. 6a), dass die grünlichen Gläser während der Zeit der Sonneneinstrahlung eine etwas höhere Temperatur aufwiesen als die orangefarbenen (Abb. 6b). Diese Temperaturschwankung ist größer als die Unsicherheit der Messung. Es wurde auch beobachtet, dass die farblosen Gläser am kältesten waren.

Dieses Phänomen hängt mit der Absorption des Chromophors bei Wellenlängen im nahen Infrarot zusammen [42, 45]. Die farblosen Gläser weisen keine Chromophore auf oder kompensieren sich gegenseitig chemisch und absorbieren daher nicht im nahen IR-Bereich. Dennoch waren Eisen- und Kupferionen die häufigsten Chromophore auf grünlichen Gläsern [46]. Die Fe2+-Ionen erzeugen zwei Absorptionen im Infrarotbereich bei 1100 (5T2 → 5E) und 2100 nm (Verzerrungsaufspaltung) zusammen mit einer Absorptionsbande bei 440 nm (sichtbarer Bereich) [47, 48]; und die Cu2+-Ionen haben den elektronischen Übergang 2E → 2T2 bei 790 nm mit einer erheblichen Verformung aufgrund des Jahn-Teller-Effekts, der Schwanz dieser breiten Einzelbande tritt in den IR-Bereich ein [42, 47, 48]. Die Absorption in diesem Bereich begünstigte die Erhöhung der Wärmekapazität des Glases und erhöhte seine Temperatur [49]. Blaue, rote und violette Gläser könnten aufgrund eines höheren Absorptionskoeffizienten auch höhere Temperaturen aufweisen [14, 15].

Dieses Phänomen wurde hauptsächlich während der Einwirkung der Sonnenstrahlung beobachtet (Abb. 4d); Aufgrund der indirekten Beleuchtung durch die diffuse Himmelsstrahlung und der Reflexion der Sonnenstrahlung an den Gebäudefassaden wurde sie jedoch auch am Morgen ohne Sonneneinstrahlung nachgewiesen (Abb. 4b) [50, 51].

Auswirkungen von Oberflächenfarben

Die Innenfläche beider Fenster wurde mit Grisailles und Emaille bemalt. Eine Grisaille ist eine dunkle Farbe, die aufgetragen wird, um die Konturen und Details der Figuren zu zeichnen und den Effekt von Schattierungen und Volumen zu erzeugen. Die Grisailles werden hergestellt, indem ein hochschmelzbares Glas, meist Bleiglas, mit Pigmenten wie Eisen- oder Kupferoxiden bestäubt wird, es kann aber auch Zinn- und/oder Manganoxide enthalten. Beim Brennen schmelzen die Körner des schmelzbaren Glases und fixieren die Pigmentkörner auf der Glasoberfläche [52,53,54,55]. Andererseits ist eine Emaille eine leuchtend farbige Farbe, die aus einem hochschmelzenden Glas, einem Bleiglas mit/ohne Borax, mit einer kleinen Menge Pigment besteht. Das pulverförmige Email wird mit einem Pinsel auf die Glasscheibe aufgetragen und anschließend eingebrannt. Das Ergebnis ist eine dünne, homogene Glasschicht mit leuchtender Farbe auf der Glasoberfläche [52, 56].

Bei den Glasfenstern aus dem Casa-Museu Dr. Anastácio Gonçalves erhöhten die mit Emails und Grisailles bemalten Bereiche ihre scheinbare Oberflächentemperatur stärker als bei farblosen Gläsern (Abb. 7a, b). Während des Morgens (ohne Sonneneinstrahlung) betrug der Unterschied zwischen den Oberflächenfarben und dem Trägerglas ~ 1 °C, aber die Sonneneinstrahlung erhöhte diesen Unterschied um ~ 3 °C, zusätzlich zu der durch die Sonneneinstrahlung verursachten Erhöhung um 10 °C Einfluss der Sonnenstrahlung auf den Glasträger (Abschnitt „Einfluss der Sonnenstrahlung“).

Natron-Kalk-Silikatgläser haben eine höhere spezifische Wärme als Gläser mit hohem Bleigehalt [42, 57]. Das bedeutet, dass unter den gleichen Bedingungen das Trägerglas, ein Natron-Kalk-Silikatglas, mehr Energie benötigt, um ein Grad Celsius zu erwärmen, als die mit hochbleihaltigen Gläsern hergestellten Oberflächenfarben. Mit anderen Worten: Bei gleicher Energie sollte die Temperatur der Oberflächenfarben stärker ansteigen als die des Trägerglases, wie beobachtet wurde. Darüber hinaus ist die Wärmeleitfähigkeit von Borosilikat-Flintgläsern und den schweren Flintgläsern (Oberflächenfarben) etwas geringer als die von Natron-Kalk-Silikaten (Trägerglas) (Tabelle 1) [58], was stattdessen eine Wärmespeicherung in den Emails und Grisailles begünstigt ihrer Übertragung auf das Trägerglas (Abb. 7a, b).

Tabelle 1 Thermische Eigenschaften verschiedener Baumaterialien, anormaler Emissionsgrad von Glas bei 50 °C. -Tisch in voller Größe

Es wurde auch ein direkter Zusammenhang zwischen der Farbe der Grisailles und Emails und ihrer scheinbaren Oberflächentemperatur beobachtet (Abb. 7a, b), ebenso wie bei farbigen Gläsern (Abschnitt „Auswirkungen auf farbige Gläser“). Es wurde beobachtet, dass klare Farben wie die mit Grisaille erzeugten Schatten (Abb. 7a) oder die klaren Emails (Abb. 7b) ein ähnliches Verhalten zeigten wie farblose Trägergläser. Allerdings erfuhren leuchtend farbige Emails aufgrund der Absorption der IR-Strahlung einen stärkeren Temperaturanstieg; Schwarz und sehr dunkle Farben wie Grisailles waren die Bereiche mit dem höchsten Temperaturanstieg (Abb. 7a, b). Bei diesen letzteren Materialien handelt es sich normalerweise um raue, dunkle Farben mit Eisenoxiden in ihrer Zusammensetzung. Dies begünstigt eine intensive Absorption der Wärmestrahlung und erhöht deren Temperatur [36].

Die unterschiedliche Oberflächentemperatur, die auf der Farbe und dem Trägerglas beobachtet wird, könnte die thermische Inkompatibilität in der Atelier-Platte begünstigen, vor allem auf bläulichen und violetten Emails, was die Bildung von Rissen und den Masseverlust begünstigt [59].

Auswirkungen von Schutzverglasungen

Die Schutzverglasung besteht aus Floatglas (Natron-Kalk-Silikatglas) mit hoher Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse [11, 12, 60], das eine physische Barriere zwischen den historischen Buntglasfenstern und dem Umgebungswetter (Regen, Wind, Verschmutzung…). Die Schutzverglasung verringert auch die Temperaturamplitude im Laufe des Tages, was zu einer Verringerung der Temperaturschocks, der Kondensationsgefahr und der Ausdehnung der Fenstermaterialien führt [38, 61,62,63,64,65,66] . Schutzverglasungen sind als vorbeugende Konservierungsmethode für Buntglasfenster weithin anerkannt, es bestehen jedoch noch viele Zweifel, insbesondere ob das Mikroklima im Zwischenraum die thermohygrometrischen Kreisläufe und/oder das Wachstum von Mikroorganismen fördert [62]. , 65, 67].

Eine externe Belüftung ermöglicht das Eindringen von Feuchtigkeit aus der Außenumgebung, wodurch die Luftfeuchtigkeit auf der Oberfläche der historischen Buntglasfenster erhöht wird, im Gegensatz zu einer deutlichen Reduzierung der Luftfeuchtigkeit in der Luftkammer bei Verglasungen mit interner Belüftung [62,63 ,64,65,66]. Allerdings hängt die Effizienz der Lüftung von der Größe des Raumes zwischen Originalfenster und Schutzverglasung und vor allem von der Größe der Lüftungsschlitze ab [64].

Beide Fenster im Casa-Museu Dr. Anastácio Gonçalves präsentieren Schutzverglasungen. Im Esszimmerfenster besteht die mittlere Platte aus zwei Platten mit einem kleinen Abstand dazwischen, um die Belüftung zu fördern. Durch diese Trennung entstand nachts ein Bereich mit niedriger Temperatur, da der Umgebungsluftstrom durch den Schlitz eindrang und im unteren Teil komplexe Rezirkulationsströmungen erzeugte (Abb. 4b) [68]. Tagsüber herrschte in diesem Gebiet eine ähnliche Temperatur wie in den umliegenden Gebieten (Abb. 4c), die größte beobachtete Variation war jedoch auf den Einfluss der Sonneneinstrahlung zurückzuführen, als eine vertikale Linie mit höheren Temperaturen (Anstieg von ~ 3 °C) entstand ) wurde aufgrund der direkten Sonneneinstrahlung auf das historische Fenster entdeckt (Abb. 4d). Diese vertikale Linie verschob sich zunehmend nach links, als die Sonne nach Westen wanderte (Abb. 8a, b). Die in Abb. 8b festgestellten Minima waren auf die metallischen Elemente des Fensters zurückzuführen (Abschnitt „Auswirkungen auf andere Materialien“).

Ein ganz anderer Fall wurde am Atelierfenster beobachtet. Die Schutzverglasung wurde aus architektonischen Gründen mit einem Abstand von weniger als 3 cm zum historischen Paneel und mit sehr kleinen Lüftungsschlitzen angebracht. Diese nahezu luftdichte Schutzverglasung begünstigte, dass die heiße Luft im oberen Teil des Fensterpaneels eingeschlossen wurde und die Temperatur in diesem Teil des Paneels anstieg (Abb. 5b). Dieser Effekt war den ganzen Tag über zu beobachten, wobei die Temperaturschwankungen zwischen dem oberen und dem unteren Teil des Fensters bis zu 3 °C betrugen (Abb. 5b).

Auswirkungen auf andere Materialien

Gläser und ihre Oberflächenfarben (Emaille und Grisaillefarben) waren die Elemente auf den Buntglasfenstern mit den größten thermischen Schwankungen; Es gibt jedoch auch andere Materialien, die ebenfalls von den thermischen Schwankungen des Tagebuchs betroffen sind, wie z. B. die Bleikamme, die Zinn-Blei-Schweißnähte, die Stahlstützstangen, der Holzrahmen und sogar die Wände und andere in der Nähe befindliche Objekte.

Bei den metallischen Elementen wurde beobachtet, dass die Temperatur des Bleis während des Sonneneinschlags um ~ 8 °C anstieg (Abb. 9a), mit einem ähnlichen Verhalten wie das farblose Glas (Abb. 2a). Dieses Verhalten kann mit der Wärmeleitung an der Leitung zusammen mit der Reflexion der Strahlung an der metallischen Oberfläche zusammenhängen, was die Messungen beeinflussen kann [40]. Während der Nacht senkten die Bleikamins ihre Temperatur, blieben aber bis zum Anstieg der Außentemperatur (ca. 9:00 Uhr) heißer als Glas (~ 1 °C). Dieses Verhalten kann mit einem langsamen Abfall der Bleitemperatur während der Nacht zusammenhängen.

Bei den Zinn-Blei-Schweißnähten an den Bleikämmen kam es aufgrund ihres größeren Abstands zu den Gläsern während der Sonneneinstrahlung zu einem geringfügigen Temperaturanstieg (~ 4 °C). Die Temperatur der Schweißnähte stieg lediglich aufgrund der Wärmeleitung der Bleikamme oder der Erwärmung aufgrund der Innentemperatur. In der Nacht zeigten sie eine höhere Temperatur als Blei (Abb. 9a), wahrscheinlich aufgrund eines langsameren Abkühlungsprozesses. Dieses Verhalten kann mit der Wärmeleitfähigkeit verschiedener Materialien zusammenhängen (Tabelle 1). Bei leitfähigeren Elementen sinkt die Temperatur schneller als bei weniger leitfähigen Elementen.

Auch die Holzrahmen und die Wände erfuhren durch den Einfluss der Sonneneinstrahlung eine Variation ihrer Oberflächentemperatur (Abb. 9b). In diesem Fall wurden die höchsten Werte am Ende der Zeit der direkten Sonneneinstrahlung erreicht, als der Treibhauseffekt im Raum maximal war. Sowohl der Holzrahmen als auch die Wand zeigten aufgrund der geringeren Wärmeleitfähigkeit des Holzes einen leichten Temperaturanstieg (Tabelle 1); Allerdings erhöhte die Schraube im Holzrahmen aufgrund ihrer höheren Wärmeleitfähigkeit ihre Oberflächentemperatur aufgrund der Raumtemperatur weiter (Tabelle 1).

Zwei Jugendstil-Glasfenster aus dem Casa-Museu Dr. Anastácio Gonçalves wurden innerhalb eines Tages während der Sommersonnenwende mit IR-Thermografie charakterisiert. Bewertet wurde der Einfluss der Umgebungstemperatur, der Sonneneinstrahlung und der Schutzverglasung auf die Gläser, Oberflächenfarben und andere Materialien im Zusammenhang mit den Glasfenstern.

Die Außentemperatur begünstigte den Wärmefluss durch das Glas und erhöhte die Innenoberflächentemperatur. Der wichtigste Faktor für die Temperatur der Glasfenster war jedoch die direkte Sonneneinstrahlung, die die Oberflächentemperatur auf bis zu 40 °C im Esszimmer-Glasfenster und 35 °C im Atelier-Panel erhöhen konnte. Das unterschiedliche Verhalten hing von der Ausrichtung des Fensters, der Raumgröße und wahrscheinlich von der Außentemperatur ab. Bei den farbigen Gläsern zeigten die grünen Bereiche aufgrund der Chromophore (Eisen- und Kupferionen) im nahen IR-Bereich die höchste Oberflächentemperatur; im Gegensatz zu farblosen Gläsern, die aufgrund des Fehlens von Chromophoren die niedrigsten Temperaturen aufwiesen. Was die Emails und Grisailles betrifft, so erhöhten sie ihre Oberflächentemperatur im Vergleich zum Glasträger aufgrund der geringeren spezifischen Wärme und Wärmeleitfähigkeit der Gläser mit hohem Bleigehalt und der Borosilikatgläser.

Beide Fenster verfügen über eine Schutzverglasung. Im Esszimmerfenster begünstigte die Trennung zwischen den Schutzglasscheiben den Eintritt der Umgebungsluft und sorgte so für das Vorhandensein eines Bereichs mit einer höheren Temperaturamplitude im Laufe des Tages. Im Atelier begünstigten der kurze Abstand zwischen dem ursprünglichen Fenster und der Schutzverglasung sowie die geringe Größe der Lüftungsschlitze die Bildung eines heißen Bereichs im oberen Teil der Fensterscheibe, der die Temperatur in diesem Teil um etwa 3 °C erhöhte . Um die thermische Veränderung des Buntglasfensters zu vermeiden, wird empfohlen, eine Schutzverglasung mit guter Belüftung anzubringen (hauptsächlich im oberen Teil, wo die Heißluftblase eingeschlossen ist) und den Raum zwischen dem historischen Fenster und dem Fenster häufig zu lüften die Schutzverglasung.

Die metallischen Elemente (Bleisteine, Zinn-Blei-Schweißnähte) der Glasfenster zeigten ein ähnliches Verhalten wie das farblose Glas, ihre thermische Variation hing jedoch von den thermischen Eigenschaften des jeweiligen Materials ab. Auch die Holzrahmen und die Wände erfuhren thermische Schwankungen, die jedoch in direktem Zusammenhang mit dem Treibhauseffekt im Raum standen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Die Autoren danken Dr. T. Marques und Dr. A. Mântua (Casa-Museu Dr. Anastácio Gonçalves, Lissabon, Portugal) für die zur Durchführung dieser Forschung bereitgestellten Einrichtungen sowie Dr. A. Moure und Dr. CSIC, Spanien) für ihre nützliche Hilfe bei der Interpretation der Daten.

Diese Arbeit wurde gemeinsam durch die Aktivität „Access to Research Infrastructures“ im Horizon 2020-Programm der EU (IPERION CH Grant Agreement No. 654028) und die Fundação para a Ciência e Tecnologia of Portugal (Projektreferenz UID/EAT/00729/) finanziert. 2019) und Fundación General CSIC von Spanien (ComFuturo-Programm). Wir bedanken uns auch für die Unterstützung der Publikationsgebühr durch die CSIC Open Access Publication Support Initiative durch ihre Unit of Information Resources for Research (URICI).

Autoren und Zugehörigkeiten

Institut für Keramik und Glas, Höherer Rat für wissenschaftliche Forschung (ICV-CSIC), c/Kelsen 5, Campus de Cantoblanco, 28049, Madrid, Spanien – Teresa Palomar

VICARTE-Forschungseinheit „Glas und Keramik für die Künste“, Neue Universität Lissabon, Caparica Campus, FCT-UNL, Quinta da Torre, 2829-516, Caparica, Portugal – Teresa Palomar & Marcia Vilarigues

Abt. Konservierung und Restaurierung, Universidade Nova de Lisboa, Campus de Caparica, FCT-UNL, Quinta da Torre, 2829-516, Caparica, Portugal – Miguel Silva, Marcia Vilarigues und Isabel Pombo Cardoso

LAQV-REQUIMTE, Neue Universität Lissabon, Caparica Campus, FCT-UNL, Quinta da Torre, 2829-516, Caparica, Portugal – Isabel Pombo Cardoso

Forschungslabor für historische Denkmäler, CRC-LRMH, CNRS USR 3224, Champs-sur-Marne, Frankreich – David Giovannacci

TP hat die Studie entworfen; DG führte die thermografischen Analysen durch; TP, MS, MV und IPC betreuten die Analysen im Museum; TP interpretierte die Ergebnisse, erstellte den Originalentwurf und reichte das Manuskript ein. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Teresa Palomar.

Konkurrierende Interessen

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden Interessen haben.