De Romeinen worden beschouwd als de uitvinders van het eerste rookvrije verwarmingssysteem in West-Europa: de hypocaust. Tot voor kort gingen de meeste historici ervan uit dat de hypocaust verdween na de val van het Romeinse Rijk, maar recent onderzoek laat zien dat de technologie tijdens de middeleeuwen verder werd gebruikt en zelfs aanzienlijk werd verbeterd.

In de veertiende eeuw werd de hypocaust uitgerust met warmteopslag door bovenop de ondergrondse vuurkamer een stapel granieten stenen te leggen. Nadat het vuur was gedoofd, werden gaten in de vloer van de te verwarmen kamer geopend, waardoor hete lucht de kamer in stroomde. Een stookbeurt in een hypocaust met warmteopslag kon een ruimte dagenlang comfortabel houden.

De Romeinse Hypocaust

Hypocausts waren verwarmingssystemen die de warmte van een ondergronds vuur verspreidden in een ruimte onder de vloer. De warmte werd geabsorbeerd door de vloer en dan de kamer ingestraald. Het effect op het thermisch comfort moet vergelijkbaar zijn geweest met dat van moderne vloerverwarming op basis van warm water of elektriciteit. Door de vloer op pilaren te bouwen, kon bijna de hele vloer door de rookgassen worden verwarmd. Soms werd de rook ook door holtes in de muur geleid alvorens uit het gebouw te ontsnappen, waardoor dus ook de muren werden opgewarmd.

De Romeinen waren niet de eersten die een verwarmingssysteem ontwikkelden waarbij de warmte van een vuur onder de vloer werd geleid, van de ene naar de andere kant van de kamer. De Chinese “kang” en “dikang”, de Koreaanse “ondol” en de Afghaanse “tawakhaneh” zijn voorbeelden die op hetzelfde principe zijn gebaseerd en nog ouder zijn. Bovendien hebben de Romeinen de hypocaust wellicht afgekeken van de Grieken. Niettemin zijn het de Romeinen die de hypocaust tot een gesofistikeerd verwarmingssysteem uitbouwden, vooral in hun openbare badhuizen.

Historici hebben lang aangenomen dat het gebruik van rookvrije verwarming verdween met de neergang van het Romeinse Rijk, rond het jaar 500 na Christus. Recenter onderzoek schetst een heel ander beeld. Hoewel de meeste openbare badhuizen in verval raakten in het West-Romeinse Rijk, bleef de hypocaust gebruikt én gebouwd worden in de vroege middeleeuwen, voornamelijk in de zich snel verspreidende kloosters.

De technologie leefde ook voort in het Oost-Romeinse (Byzantijnse) Rijk en werd geadopteerd in de hammams van de Arabieren, die de hypocaust terug naar Europa brachten toen ze het Alhambra bouwden in de dertiende eeuw. ¹ Kleinere en goedkopere systemen, die rookkanalen gebruikten in plaats van pilaren, bleven ook in gebruik, met name in kleinere gebouwen. Deze hypocausts verwarmden slechts een deel van de vloer, maar ze waren veel makkelijker en goedkoper te bouwen. Het is zo’n hypocaust die we ontdekten in een vergeten dorp in Spanje – en hij is nog steeds in gebruik.

Hypocaust met Warmteopslag

Toen het Christendom en de kloosterorden zich verspreidden naar de koudere klimaten in het Noorden van Europa, bleek de hypocaust niet efficiënt genoeg. Ten laatste tijdens de eerste helft van de veertiende eeuw begon men met het stapelen van granieten stenen op de ondergrondse oven. ¹²

In tegenstelling tot de Romeinse hypocaust, die gebaseerd was op het principe van stralingswarmte, was de hypocaust met warmteopslag gebaseerd op convectie – luchtverwarming dus. De verwarmde kamer had een geperforeerd stuk vloer boven de stapel warme stenen.

Deze openingen werden gesloten terwijl het vuur brandde, zodat de rook uit de kamer bleef en via de schoorsteen of een opening in the muur kon ontsnappen. Als de verbanding afgelopen was, en de brandkamer was schoongeveegd, werd het rookkanaal gesloten, de openingen in de vloer werden geopend, en hete lucht steeg van tussen de stenen door de gaten de kamer in. ²³

De Romeinse hypocaust moest regelmatig worden gestookt, omdat de warmteopslag beperkt was. Door een “steenkamer” toe te voegen, kon de warmte worden geaccumuleerd, zodat er slechts met tussenpozen moest worden gestookt. In 1822 werden in het Marienburg Paleis in Polen experimenten uitgevoerd om de energie-efficientie van een toen 400 jaar hypocaust met warmte-opslag te meten. Eén van die experimenten betrof de verwarming van de 850 m3 ruime feestzaal. ¹²³

Eén keer stoken, dagenlang warmte

Op 3 april werd een koude oven 3,5 uur lang gestookt, waarbij 0,7 m3 vurenhout werd verbrand. Toen de luchtgaten in de vloer werden opengemaakt, kwam er lucht met een temperatuur van 200 ºC de feestzaal binnen. De temperatuur in de ruimte steeg van 6 naar 22,5 ºC op slechts 20 minuten tijd. De openingen werden gesloten, en tegen de volgende ochtend was de temperatuur gezakt tot 14 ºC. Toen de gaten opnieuw werden opengemaakt, steeg de temperatuur naar 19 ºC op een uur tijd, zonder dat er een nieuw vuur moest worden aangemaakt.

Op 5 april was de temperatuur van de lucht die uit de openingen kwam 94 ºC en steeg de temperatuur in de ruimte van 10 tot 16 ºC op een half uur tijd. Op 6 april, drie dagen nadat het vuur was gedoofd, was de lucht nog steeds warm genoeg om de ruimte op te warmen van 10 tot 12 ºC. Zelfs op 9 april, zes dagen na de verbranding, kwam er nog lucht uit de vloer met een temperatuur van 46 ºC, waardoor de temperatuur in de ruimte steeg van 8 naar 10 ºC.

Zelfs deze relatief lage temperaturen konden thermisch comfort brengen. De Spaanse reiziger Pero Tafur schreef tijdens zijn reis door Europa in 1438 dat de mensen “stoelen plaatsten boven de openingen, en die stoelen hebben ook gaten, en de mensen zitten neer op die stoelen en de warmte rijst tussen de benen door naar boven”.³ De gewoonte doet denken aan het gebruik van de voetstoof in onze streken tijdens de middeleeuwen.

Baltische Zee

De hypocaust met warmteopslag werd vooral gebruikt in de regio rond de Baltische Zee: Noord-Duitsland, Denemarken, Zweden, Finland, Estland, Letland, Litouwen, en Polen. Maar het verwarmingssysteem is ook gevonden in andere delen van Europa, zoals in West- en Zuid-Duitsland, Zwitserland, Oostenrijk, Tsjechië, Hongarije, en Rusland. De meesten van die hypocausts werden gebouwd in de vijftiende en zestiende eeuw. ¹

Historisch onderzoek naar de hypocaust met warmteopslag is nog steeds aan de gang. In een studie uit 1998 schatte Klaus Bingeheimer het totaal aantal hypocausts in het middeleeuwse Europa op 500, waarvan 154 exemplaren met warmteopslag. Maar intussen zijn er veel meer ontdekt.Terwijl Bingenheimer bijvoorbeeld slechts twee hypocausts met warmteopslag vermeld voor Estland, presenteert onderzoeker Andres Tvauri in een studie uit 2009 bewijs voor het bestaan van 95 hypocausts met warmteopslag in Estland. ²

In totaal zijn nu ongeveer 500 middeleeuwse luchtverwarmingssystemen geïdentificeerd in Europa. Volgens de laatste schattingen moeten er in de regio rond de Baltische Zee tenminste 800 tot 1.000 van deze hypocausts in werking zijn geweest bij het begin van de zestiende eeuw.

De technologie verspreidde zich van kloosters naar kastelen en openbare gebouwen zoals armenhuizen, stadhuizen, gildehuizen en ziekenhuizen. In Lijfland, een gebied dat het huidige Letland en Estland omvatte, vond de technologie ook haar weg naar gewone huizen. In Tallinn, de hoofdstad van Estland, was een hypocaust met warmteopslag geen uitzondering maar de regel – er zijn 54 hypocausts met warmteopslag gevonden. ²

Hypocausts in Tallinn

De studie van de hypocausts in Tallinn, één van de weinige Engelstalige bronnen over de technologie, geeft heel veel details. Zo werden er speciale deksels gemaakt voor het afsluiten van de openingen, gemaakt uit metaal, steen of gebakken klei. Onder die gaten, bovenop de granieten stenen, werden kleine keramische schotels geplaatst. Wellicht werd er water in gegoten om de luchtvochtigheid te verhogen. ²

De ondergrondse oven was bedekt met een tongewelf waarop de stenen voor warmteopslag werden gestapeld. Bakstenen werden in drie of vier bogen gelegd, met ongeveer 20 centimeter ruimte ertussenin – de stenen zelf waren 40 tot 50 cm in diameter. De bouwers gebruikten wellicht een oud vat om de bouw van de bogen te ondersteunen. Wanneer de stookoven was afgewerkt, werd het vat in brand gestoken.

De afmetingen van de ondergrondse stookruimte werden bepaald door de omvang van de verwarmde ruimte. In private huizen, waar enkel de slaapkamer werd verwarmd, was de oven 1 tot 2 meter lang, meer dan een meter breed, en 50 tot 60 centimeter hoog. In openbare gebouwen en kloosters waar grote halllen en kamers werden verwarmd, ging het om veel grotere exemplaren.

Tegelkachels

Het succes van de hypocaust met warmteopslag was van korte duur. Al in de vijftiende eeuw doken de eerste tegelkachels op rond de Baltische zee. De tegelkachel is net zoals de originele, Romeinse hypocaust gebaseerd op stralingsverwarming, maar gebruikt een inwendig labyrint van rookkanalen om de warmte van het vuur zo lang mogelijk vast te houden.

De tegelkachel was makkelijker te bouwen en te gebruiken dan de hypocaust. Hoewel het mogelijk was om meerdere kamers met een hypocaust te verwarmen, lag de verwarmde kamer meestal vlak bovem de vuurhaard, en die kamer was altijd op de begane grond. Tegelkachels konden overal worden gebouwd, ook op hogergelegen verdiepingen.

De tegelkachel was ook energie-efficiënter: het opwarmen van mensen kost minder energie dan het opwarmen van ruimtes. In Oud-Livonië werd het gebruik van de hypocaust opgegeven tijdens de zestiende eeuw. Een tegelkachel werd meestal op exact dezelfde plaats neergezet. Op andere plaatsen, bijvoorbeeld in Polen, werden hypocausts gebruikt tot in de 18de en 19de eeuw.