Системы отопления и вентиляции храмовых зданий

V. Bearzi

В прошлом – даже не очень далеком – комфорту как таковому в местах богослужений особого значения, по сути, не придавалось, кроме этого, всегда находились люди, которые видели в недостаточном отоплении или плохой вентиляции дополнительную форму смирения и покаяния. Современные строительные принципы, несомненно, менее суровы и рассматривают храмовое здание как место, в котором (как и в любых других зданиях и сооружениях, где собираются люди) необходимо обеспечить определенные климатические условия и комфорт.

Сегодня расчетная температура воздуха, которую надлежит поддерживать в помещениях в условиях суровой зимы, выросла с 14 до 16 или 18 °С и даже до 20 °С для церквей, расположенных внутри городской застройки. Есть и еще один характерный показатель, оказывающий непосредственное влияние на теплотехнические характеристики храмовых зданий – это режим работы этих заведений. В нашем случае мы рассматриваем церкви, которые открыты для посетителей на протяжении всего дня.

Рисунок 1. Внутренняя температура воздуха в церкви. Динамика роста внутренней температуры по вертикали в церкви высотой более 20 м, отапливаемой посредством радиаторов. Температура в зоне для посетителей поддерживается на уровне 15 °C при температуре наружного воздуха -5 °C

Однако наиболее существенным фактором, влияющим на теплотехнические характеристики, остается конструктивный тип сооружения, причем даже не столько его конструкция, сколько архитектурное исполнение. В большинстве случаев храмовые здания представляют собой историческую и художественную ценность, их декоративные элементы требуют самого осторожного обращения.

Кроме этого, проектировщик имеет дело с сооружением большой площади. Причем основную роль здесь играет высота перекрытий, а значит – тепловая стратификация, когда немалый объем верхнего уровня помещения отапливать фактически бессмысленно. Ограничением выступает необходимость не нарушать в здании акустику, присущую местам богослужений. И, наконец, не последнюю роль играет здесь наличие источников тепловой энергии, получаемой от теплогенератора, проектируемого и размещаемого согласно действующим правилам противопожарной безопасности.

Одним словом, при выборе системы отопления в церкви приходится учитывать множество ограничений, из которых далеко не последнюю роль играет необходимость не нарушать сложившийся уклад и условия хранения художественных ценностей: фресок, живописных полотен, деревянных скульптур, предметов мебели, декоративных элементов, предметов обихода.

С большой долей вероятности можно утверждать, что на протяжении многих десятилетий, если не столетий, предшествовавших появлению современных систем отопления, предметы искусства и церковная утварь находились в среде с относительной влажностью воздуха не ниже 50 % при любой погоде. В отапливаемом помещении влажность воздуха, конечно же, ниже и контакт с более сухим воздухом может пагубно сказаться на состоянии художественного наследия. Дело усугубляется тепловентиляцией (отоплением и вентиляцией), когда воздух среды принимает на себя нагретый воздух, выполняющий функцию теплоносителя, часто с относительной влажностью ниже 15 %. Если на пути такого воздушного потока встретится предмет из группы риска, например, картина либо деревянная скульптура, ущерб может оказаться невосполнимым.

На объектах с системой отопления «от пола», организованного по принципу «активной температуры» и обеспечивающего аналогичные условия комфорта при более низкой температуре подаваемого воздуха, относительная влажность воздуха всегда на несколько процентов выше, чем в помещении, отапливаемом и вентилируемом обычным способом, что благотворно сказывается на состоянии хранимого художественного наследия.

Церковь Св. Михаила Архангела в г. Фаньигола (Италия)

Рис. 2. Особенности здания: - повышенная потребность в теплоте, обусловленная дисперсионной потерей массы строительными ограждениями, выполненными из обыкновенного необлицованного кирпича; - большая высота перекрытий; - ограниченное время богослужений, которые проводятся всего несколько раз в неделю Рис. 3. Диффузор подачи нагретого воздуха. Типоразмер диффузора обеспечивает дальность доставки воздуха до 15 м. Предпочтительней была бы квадратная форма, однако в силу установленных ограничений проектировщик был вынужден использовать прямоугольник с наибольшим размером по вертикали Рис. 4. Еще один диффузор обращен к алтарю и хорам. Воздух также подается в направлении центрального нефа. Основную роль в распределении теплоты играет форма воздушной струи, проходящей от диффузора над рабочей зоной таким образом, чтобы войти в нее на скорости, укладывающейся в рамки комфортных условий, т. е. 0,15–0,20 м/с

Возможные решения

В данной статье мы приведем примеры воздушных отопительных систем и представим читателю некоторые соображения о принципах их проектирования. Ни одно из решений не будет идеальным, свободным от недостатков. Нам важно дать общее представление о возможных вариантах со всеми их плюсами и минусами.

Итак, проектирование системы следует начинать с решения вопроса о конечном устройстве, через которое теплота непосредственно подается в рабочую зону.

Система на основе отопительных батарей, успешно применяемых практически на всех других строительных объектах, в храмовых зданиях используется редко. Среди основных причин этого – достаточно большие габариты нагревательных приборов, сложности со скрытой прокладкой распределительной сети трубопроводов, а также конвекция, генерируемая нагревательными приборами. В силу последней неизбежно растет тепловой градиент по вертикали, который тем выше, чем больше разность между температурой отопительной батареи и температурой воздуха в рабочей зоне.

Данный недостаток отмечается и у систем воздушного отопления. Однако они имеют низкую тепловую инерцию и быстро выходят в рабочий режим в отличие от радиаторов, требующих для нагревания рабочей зоны довольно много времени.

Широкое распространение получили системы на основе подачи в помещение нагретого воздуха. Они, безусловно, более доступны и практичны – их установочные габариты минимальны, число диффузоров и воздухозаборных плафонов небольшое, размер первоначальных капиталовложений незначителен, особенно если используются теплогенераторы. Особого внимания потребуют только вопросы противопожарной безопасности в силу определенного риска, присущего данному типу оборудования.

С учетом тенденций последнего времени перспективными представляются отопительные системы на основе излучающих полов, у которых сведены до минимума и даже совсем отсутствуют конвекция и стратификация, выше комфорт среды, а также выше влажность. Большая тепловая инерция этих систем в принципе мало подходит для эффективного отопления в переменном режиме (например, согласно особому расписанию богослужений), однако она идеальна, если храм открыт постоянно в течение дня, т. к. такая система обеспечит тепло и уют в помещении для всех, кто захочет побывать здесь в любое время.

Безусловно, система отопления может быть комбинированной, что позволит использовать плюсы обеих систем и минимизировать слабые стороны, свойственные каждой их них.

Храм Пресвятой Девы Божьей милости в г. Порденоне (Италия)

Рис. 5. Отопительная сеть проложена вокруг главных ворот храма Рис. 6. Фрагмент воздухоподающего диффузора, располагающегося над воротами, с воздухозаборными решетками, вертикально встроенными в стену, вблизи пола и рядом с входным тамбуром

Тепловентиляция

Во множестве случаев воздушное отопление обеспечивается посредством генераторов горячего воздуха с одним большим диффузором и одним воздухозаборным устройством для рециркуляции, что позволяет обойтись без трудоемкой прокладки дополнительных воздушных каналов в зданиях, представляющих историческую и художественную ценность. Генератор монтируется снаружи здания в подающем и отводящем каналах применяются огнезащитные задвижки. Отводящий канал чаще всего организуется на уровне ниже пола. В качестве альтернативы – в том числе по параметрам противопожарной безопасности и шумности – используется блок воздухоподготовки, оснащенный фильтрами, вентилятором и воздухонагревателем, питающимся от удаленной теплостанции.

План-схема церкви Св. Михаила Архангела в г. Фаньигола (Италия)

Рис. 7. (подробнее) На тепловентилятор (1) теплота подается с газового теплогенератора (2), составляющего основу тепловой станции, располагающейся в небольшом машинном зале, отделенном от остальных помещений. Диффузоры рассчитаны таким образом, чтобы струя горячего воздуха проходила до двух третей длины центрального нефа. Отвод рециркуляционного воздуха организован на верхнем уровне – по вертикальной оси тепловентилятора – таким образом, чтобы забирать более горячий воздух на участке под перекрытием, что обеспечивает энергетическую балансировку системы

Примеры использования систем отопления

Ниже мы опишем примеры использования систем воздушного отопления в Храме Пресвятой Девы Божьей милости в Порденоне и приходской церкви Св. Михаила Архангела в Фаньиголе (Италия).

Оба здания похожи между собой: три нефа, построены сто лет назад, имеют значительную по сравнению с площадью высоту перекрытий, во втором случае строительные ограждения имеют значительную дисперсионную потерю массы (поскольку выполнены из необлицованного кирпича, оштукатурены только изнутри и только на некоторых участках). Повышенная потребность в теплоте, фактор переменности рабочих режимов, отрицательный излучающий эффект стеновых конструкций (всегда холодных), ограничения с вентилированием, обусловленные допусками по показателям шумности, более чем очевидная необходимость минимизировать установочные габариты воздуховодов и диффузоров, экономия средств и эксплуатационных расходов – с учетом всех этих факторов осуществить здесь прокладку воздушных каналов и монтаж плафонов подачи воздуха достаточно сложно.

По совокупности ограничений была выбрана отопительно-вентиляционная система, ориентированная на поддержание температуры воздуха в помещении на уровне 14–16 °С в ограниченные периоды проведения богослужений.

Описываемые примеры различаются типоразмером воздушных диффузоров и расположением воздухозаборных решеток. Отопительная система Храма Пресвятой Девы Божьей милости по сравнению с системой церкви Св. Михаила Архангела имеет большую тепловую мощность, широкие воздухоподающие диффузоры и широкие воздухозаборники, которые расположены вертикально в нижней части помещения и обеспечивают приток вниз теплого воздуха. Система отопления активной зоны рассчитана на удовлетворение общей тепловой потребности и нагревает все внутреннее пространство. Система не дает возможности предотвратить стратификацию, поэтому в верхней части здания температура существенно (на 7–8 °С) выше температуры воздуха, поддерживаемой в активной зоне. Особого внимания заслуживает расположение воздухозаборных решеток. Прокладка под полом канала для отвода воздуха потребовала бы установки горизонтальной решетки (например, тротуарного типа). Однако такое напольное расположение неизбежно повлекло бы за собой образование потоков холодного воздуха непосредственно вблизи от пола – сквозных течений, малоприятных для посетителей. Таким образом, предпочтительнее, конечно, вертикальное расположение, при котором холодный воздух не попадает на ноги посетителей. Причем чем выше воздухозаборная решетка, тем выше тепловой баланс вентиляционного цикла. При прочих равных показателях в этом случае из помещения отводится более нагретый воздух, естественно, при условии, что в активную зону приходит поток воздуха из подающих диффузоров.

Минимальная тепловая нагрузка имеет место, если рециркуляционный воздух отбирается в верхней части обслуживаемого помещения. Именно это решение использовано в церкви Св. Михаила Архангела, где для заказчика было особенно важно минимизировать первоначальные затраты и, соответственно, эксплуатационные расходы. Тепловая мощность здесь достаточно скромная, как, впрочем, и шумность. Для обоих диффузоров применено небольшое сечение, что позволило увеличить дальнобойность воздушной струи. Воздухозаборная решетка размещается в верхней части одного из боковых нефов. Воздух из помещения отводится на рециркуляцию с более высоким теплосодержанием, проходя через блок воздухоподготовки.

Церковь Св. Михаила Архангела в продольном разрезе

Рис. 8. (подробнее) На схеме обозначены две струи горячего воздуха, поступающие в активную зону, а также воздухозаборная решетка в верхней части бокового нефа. Предпочтительней было бы разместить ее ближе к верхней части перекрытия центрального нефа

Заключение

Два описанных нами примера использования отопительно-вентиляционных систем достаточно типичны. Такие же системы предусмотрены во многих других храмовых зданиях. Все они проектировались по сходным критериям, и все они страдают от характерных недостатков – ненужного отопления неактивной зоны, особенно на верхних уровнях, наличия неприятных сквозняков на нижних уровнях, очевидной шумности.

Альтернативой им является, например, отопление теплыми полами или – еще лучше – комбинированная система, где излучение обеспечивает базовое отопление, а тепловентиляция применяется для быстрого ввода помещения в комфортный тепловой режим в часы проведения богослужений.

Перепечатано с сокращениями из журнала «RCI».

Перевод с итальянского С. Н. Булекова.

Научное редактирование выполнено В. Д. Коркиным – зав. кафедрой СПб ГАИЖСА им. И. Е. Репина.