Нормализация температурно-влажностного режима Рождественского собора Ферапонтова монастыря

Н. С. Краснощекова, С. Б. Куликов, Б. Т. Сизов, Е. В. Шейкин, Центральные научно-реставрационные проектные мастерские Министерства культуры РФ;

Е. Н. Шелкова, Кирилло-Белозерский историко-архитектурный художественный музей-заповедник

 

В прошлом году в журнале «АВОК» была опубликована статья [1], посвященная изучению температурно-влажностного режима выдающегося памятника древнерусской архитектуры и монументальной живописи – Рождественского собора (собора Рождества Богородицы) Ферапонтова монастыря. На основе результатов многолетних натурных исследований и теоретических разработок были предложены параметры (температура внутреннего воздуха) и принципиальная схема щадящего обогрева помещений центрального комплекса памятника, направленные, прежде всего, на сохранение всемирно известных фресок знаменитого древнерусского живописца Дионисия.

На основании этих предложений в 2002–2003 годах был разработан и реализован¹ (в теплотехнической части) комплексный проект реставрации системы обогрева, направленный на сохранение памятника.

Представляется интересным познакомить читателя с некоторыми особенностями проектирования и выполнения подобных работ в уникальных памятниках архитектуры, а также дать оценку эффективности внедренной системы с точки зрения нормализации температурно-влажностного режима собора.

Весь комплекс исследовательских, проектных, производственных работ по устройству системы «теплых полов» в Рождественском соборе Ферапонтова монастыря был отмечен Золотым дипломом XI международного фестиваля «Зодчество-2003».

Самая ранняя из дошедших до нас каменных построек Белозерья — Рождественский собор Ферапонтова монастыря — был сооружен в 1490 году. Исследования П. П. Покрышкина, К. К. Романова, А. Г. Вальтера, дополненные С. С. Подъяпольским, позволяют нам представить первоначальный облик собора. Легкие стройные пропорции здания были подчеркнуты его постановкой на подклет. Стены завершались тремя закомарами, над которыми шли два ряда кокошников; над ними возвышался барабан с шестью узкими окнами, увенчанный шлемовидной главой. Другая маленькая главка с тремя окнами находилась над Никольским приделом. С трех сторон церковь была окружена открытым гульбищем, в северо-западном углу которого располагалась звонница.

В 1502 году храм был расписан Дионисием, о чем свидетельствует надпись в своде северного портала собора. Сегодня фрески Дионисия, дошедшие до нашего времени практически неповрежденными, являются главным объектом сохранения в Ферапонтовом монастыре.

На протяжении XVI века собор обстраивался папертями, которые возникали не одновременно. Создание крытых папертей на основе современных собору галерей завершилось в конце XVI века возведением шатровой колокольни. В 1641 году после построения церкви преподобного Мартиниана собор с трех сторон оказался полностью обстроенным, и центральный комплекс монастырских построек, рассматриваемый нами, приобрел близкую к современной планировку.

* * *

Ферапонтов монастырь расположен на моренном холме, отделяющим озеро Пасское от озера Бородавского. Рельеф территории монастыря довольно ровный с общим уклоном на юго-запад. Грунтовые воды на территории монастыря имеют повсеместное распространение. В обычное время они залегают на глубинах от 0,5 до 1,9 м от поверхности земли, однако в периоды обильного выпадения осадков уровень грунтовых вод может подниматься до дневной поверхности. Неблагоприятная гидрогеологическая ситуация способствовала постоянному увлажнению фундаментов и стен собора, что явилось одним из главных факторов аварийного состояния памятника к началу XX века [2].

В 1913—1924 годах на памятнике были проведены реставрационные работы, сопровождавшиеся серьезным вмешательством в конструкции собора. В частности, перекрытие здания в уровне подклета, а также своды северных папертей были восстановлены в модном для того времени материале — бетоне. Использование этого материала позволило восстановить конструктивную прочность памятника, который по описаниям начала XX века буквально «разваливался» на части [2]. Однако применение бетона (цемента) имело и отрицательные последствия², особенно в условиях продолжающегося капиллярного подсоса. Только в 1986 году³ с северо-востока комплекса собора была сделана дренажная система, предназначенная для защиты собора от негативного влияния грунтовых вод.

* * *

В процессе инструментальных исследований влажностного состояния конструкций, проведенных в 2000 году [1], было выяснено, что дренажная система 1986 года работает достаточно эффективно и предохраняет конструкции подклета от доступа грунтовых вод. Об этом свидетельствовали влажностные показатели нижнего яруса кладки подклета, которые на протяжении всего цикла исследований были на уровне воздушно-сухого материала. Однако верхние части стен подклета оставались влажными. Влажной оказалась и часть основного объема собора, который по своим характеристикам отчетливо делился на две зоны. Конструкции южной половины находились в воздушно-сухом состоянии, конструкции северной половины — во влажном (рис. 1). Граница проходила по западному порталу. По нашим предположениям, причиной увлажнения конструкций северной части собора явилась совокупность двух факторов:

- многолетнее капиллярное увлажнение грунтовыми водами, поступающими с севера, привело к скоплению значительного количества влаги в пазухах бетонных сводов у основания стен собора;

- паронепроницаемый бетонный пол на северной и западной (до портала) папертях препятствовал испарению через полы папертей поступающей снизу влаги.

Рисунок 1. (подробнее) План помещения центрального комплекса

Кроме того, необходимо отметить, что в весенне-летнее время конструкции периодически увлажнялись конденсатом. Таким образом, для нормализации температурно-влажностного режима необходимо было решить следующие задачи:

- обеспечить снижение общего уровня влажности северо-западной части собора;

- устранить сезонное увлажнение конструкций конденсатом.

Эти задачи необходимо было решить с двумя дополнительными, но очень важными условиями:

- во-первых, исключить возможность выхода влаги со стороны настенных росписей;

- во-вторых, скорость миграции влаги должна быть минимальной, чтобы избежать усадочно-деформативного разрушения материалов стенописи.

Одно из возможных решений заключалось в поддержании температурного градиента в ограждающих конструкциях памятника, при котором температура в соборе должна на 1—2 °С превышать температуру окружающих помещений. При этом для избежания «пересушки» внутренних поверхностей стен собора (материалов слоя настенных росписей) необходимо в холодный период года поддерживать в соборе температуру 3—5 °С [4, 5]. В 2001 году для решения этих задач были разработаны рекомендации, направленные на перевод соборного комплекса в режим ограниченного (щадящего) обогрева [1].

* * *

В связи с особыми требованиями по поддержанию температурного режима в Рождественском соборе и примыкающих к нему паперти, галереи и ризницы был выбран наиболее целесообразный вид отопления — электрический. Это исключало прокладку трубопроводов с теплоносителем, возможность протечек, угрозу замораживания системы водяного отопления при низких температурах наружного воздуха и давало возможность поддержания требуемого режима t_вн = 3—5 °С (при теплоносителе-воде температура внутреннего воздуха не может быть ниже 10 °С). Исходя из вышесказанного, в соборе было решено делать «теплый пол», а в остальных помещениях — прямой обогрев с помощью электрических отопительных приборов.

Особенностью конструкции «теплого пола», принятой для Рождественского собора, явилось использование в качестве основного слоя (где расположены кабели «De-Vi») гипсокартона «Гипрок», что дало возможность избежать «мокрого» процесса, неизбежного при прокладке кабелей в бетоне. Первый слой гипсокартона укладывается на теплоизоляцию. Второй слой представляет собой полосы, расположенные на расстоянии 3 см друг от друга, согласно расчетному шагу кабеля. Уложенный кабель заливается быстросохнущим легким строительным раствором (рис. 2). Сверху конструкция перекрывается третьим, более прочным, слоем гипсокартона. Недостатком такой конструкции является единовременное увеличение расхода электроэнергии на первоначальный прогрев памятника, т. к. гипсокартон менее теплопроводен по сравнению с легким строительным раствором, используемым в типовых конструкциях «теплого пола». Однако практически мы избегаем этого включая в работу систему отопления в начале сентября, обеспечивая этим и прогрев конструкций памятника, и плавный температурный переход с летнего на зимний режим.

Рисунок 2. (подробнее) Монтаж конструкции пола. Укладка кабелей

В конструкцию междуэтажного перекрытия (ниже расположен отапливаемый подклет) заложен слой теплоизоляции — пенополистирол толщиной 5—10 см, что исключает передачу тепла в нижерасположенные помещения и позволяет поддерживать требуемую температуру внутри собора при понижении температуры наружного воздуха до –37,5 °С.

Расчетное энергосбережение при реализации этого проекта с учетом «тепловой массивности» цокольных частей памятника составляет 20 %.

Отличительной особенностью принятой конструкции пола явилось также наличие по всему периметру внутренних стен собора теплоизоляционного слоя, препятствующего прямой передаче тепла от пола к стенам. Это было необходимо для избежания прямого нагревания стен и живописного слоя.

Для контроля за температурой воздуха вся обогреваемая площадь внутри собора была разделена на 7 зон (рис. 1), что было вызвано особенностью архитектуры собора, отличием объемов каждой из выделенных зон, разным распределением конвективных потоков теплого воздуха в них и, соответственно, отличным друг от друга тепловым режимом. Поэтому на каждую зону были установлены свои электронные терморегуляторы, обеспечивающие оптимальное и точное управление кабельными системами. Терморегуляторы имеют два различных типа датчиков: встроенный датчик температуры воздуха для регулирования температуры внутри отдельных объемов собора и датчик температур пола на проводе для ограничения максимальной температуры пола.

* * *

Работы по переустройству полов в соборе потребовали установки защитного противоударного ограждения в виде щитов из фанеры на металлическом каркасе в 10—15 см от стен. Для защиты росписей от пыли щиты по всей площади собора были перекрыты сверху, на высоте 2 м, паропроницаемой пленкой (рис. 3).

Работы были начаты в ноябре 2002 года и включали в себя демонтаж существующего деревянного покрытия пола, укрепление элементов металлического каркаса и бетонного перекрытия 1914—1916 годов, монтаж конструкции сборного «плавающего» пола из гипсокартона фирмы «Gyprok». Покрытие пола было изготовлено из керамогранитной плитки, отвечающей по своим показателям самым высоким требованиям по истираемости и водопоглощению.

Рисунок 3. (подробнее) Защитные конструкции настенной живописи на период проведения работ (до демонтажа деревянного пола)

Основным методическим положением для выбора материала покрытия пола предлагалось считать его максимально нейтральное влияние на состояние стенописи собора, а также удобное функциональное использование как в процессе реставрационных работ, так и в процессе экскурсионного посещения. С точки зрения сохранения цельности интерьера собора и задачи экспонирования фрескового ансамбля было принято решение при возможном близком по стилистике (способ укладки, цветовая гамма) к образцам ХVI—ХVII веков варианте реконструкции покрытия пола избегать прямых аналогий и максимально ограничить эстетическое воздействие покрытия пола как элемента интерьера (рис. 4). Укладка плитки осуществлялась путем наклеивания на поверхность сборной конструкции из гипсокартона, включающей в себя систему теплого пола.

Рисунок 4. (подробнее) Керамическое покрытие теплого пола

 

* * *

Пробное включение системы обогрева пола в Рождественском соборе Ферапонтова монастыря было осуществлено в апреле 2004 года. Для контроля работы системы были проведены замеры температуры керамической поверхности пола до, в процессе работы и после выключения системы. Система работала в течение пяти часов. Все семь модулей были запрограммированы примерно на одну температуру (20—25 °С)⁴. Температура наружного воздуха составляла около 0 °С. Воздух в соборе прогрелся за 5 часов на 5 °С (с 11 до 16 °С)⁵. С отключением системы возврат на прежние показатели длился в течение 9 часов.

Для контроля изменения температуры на керамической поверхности пола было выбрано 18 точек, по 6 в каждом нефе. До включения системы средние значения температуры составляли 10 °С. За два часа работы системы температура пола повысилась в среднем на 9—12 °С, в результате чего показатели центральных точек достигли 21,7—22,6 °С.

Одной из наиболее важных задач проведения контрольных замеров температуры было: определить, влияет ли обогрев пола на температуру стен. С этой целью через три часа после включения системы были проведены замеры температуры конструкций в шести точках на двух высотах: 0,5 и 0,8 м. Значения большинства точек составляли в среднем 11,5—11,6 °С, притом что температура воздуха к этому времени достигла 13,1 °С. Кроме того, температура в нижнем уровне стены (0,5 м) не превышает температуру на более высоких участках (0,8 м). Отсюда можно сделать вывод, что «теплые полы» в соборе прямо не влияют на температуру конструкций и, следовательно, на температуру живописного слоя, что удовлетворяет требованиям художников-реставраторов и хранителей собора.

* * *

В 2003 году было проведено 4 цикла инструментальных измерений температурно-влажностных параметров6. Это позволило оценить динамику изменения влажностного состояния конструкций и сопоставить ее с годичными изменениями 2000—2001 годов. Для анализа нами использовались данные измерений тепловлажностных параметров материалов конструкций в наиболее репрезентативных точках⁷.

Результаты инструментальных измерений влагосодержания⁸ в интерьере собора в интересующих нас точках (за исключением т. 23) показали общее снижение влажности материалов в 2003 году для увлажненной северо-западной части сбора (рис. 5). Точка 23 расположена в переходной зоне (западная стена), где уровень увлажненности материалов ниже, чем на северной стене. Поэтому в этой зоне, так же как и в более сухих (южная стена), возможно проявление сезонных колебаний влажности в результате конденсационного (сорбционного) увлажнения внутренней поверхности ограждений (стенописи). На более увлажненных участках это явление может инструментально не фиксироваться.

В качестве второго важного результата проведенного сравнительного анализа отметим плавное и с меньшей амплитудой изменение влажности материалов в течение 2003 года для всех точек северо-западной увлажненной части собора (рис. 5).

Рисунок 5. (подробнее) Годовая динамика изменения влагосодержания конструкций Рождественского собора Ферапонтова монастыря на высоте 0,2 м в точке № 20

Результаты натурных инструментальных измерений были дополнены анализом с использованием методики комплексной оценки температурно-влажностного режима памятника, позволяющей установить периоды увлажнения-высыхания конструкций собора [4]. Поглощение водяных паров воздуха капиллярно-пористым материалом в этом случае рассматривается как различные стадии (сорбция, конденсация) одного процесса увлажнения.

Данный вид анализа основывается на следующих соображениях. Удельное влагосодержание внутреннего воздуха, q_вн, может превышать удельное влагосодержание наружного воздуха, q_нар, в том случае, если внутренний объем получает дополнительную влагу из конструкций (т. е. если стены просыхают), и наоборот, если q_вн < q_нар, это означает, что происходит процесс поглощения (сорбции, конденсации) водяных паров воздуха стенами. Необходимо отметить, что подобные оценки возможны лишь для помещений, не имеющих внутренних источников увлажнения, ограниченно посещаемых, или помещений, где посетители (сотрудники) не влияют существенно на изменения параметров внутреннего воздуха. Значения q_вн и q_нар могут быть получены на основании измеренных значений температуры, t, и относительной влажности, j, наружного и внутреннего воздуха с помощью расчета или психрометрических таблиц⁹. Знак и величина Dq = q_вн – q_нар характеризует направление и интенсивность потока влаги через внутреннюю поверхность ограждения (в нашем случае стены с живописью)¹⁰. Если Dq > 0, то поток влаги направлен из стены в объем помещения, т. е. происходит высыхание внутренней поверхности ограждения. В том случае, когда Dq < 0, поток влаги направлен из воздуха в конструкции, т. е. происходит увлажнение материалов памятника путем сорбции или конденсации водяных паров¹¹.

Рисунок 6. (подробнее) Определение периодов увлажнения-высыхания в Рождественском соборе Ферапонтова монастыря в 2003 году (разница влагосодержаний внутреннего и наружного воздуха)

Значения Dq = q_вн – q_нар, вычисленные для собора (рис. 6), имеют явно выраженные отрицательные значения в июле-начале августа, т. е. в это время поток влаги из воздуха увеличивает влагосодержание конструкций. Данные прямых инструментальных измерений влагосодержания конструкций в юго-западной части собора подтверждают этот вывод. Таким образом, полученные независимыми способами результаты хорошо коррелируют между собой, позволяя предположить, что определенные периоды увлажнения-высыхания достоверны.

Последний вывод подтверждает возможность использования предложенного метода для главной цели нашего анализа: комплексной оценки влияния ограниченного обогрева на температурно-влажностный режим Рождественского собора Ферапонтова монастыря с позиций основного критерия сохранности — минимизации потоков влаги через внутреннюю поверхность ограждающих конструкций (живописный слой) [4, 5]. Оценивая абсолютную величину |Dq|, мы можем судить об общей интенсивности потоков (переноса влаги) через внутреннюю поверхность ограждения; изменение знака свидетельствует о перемене направления потока влаги: если Dq > 0 — происходит высыхание живописного слоя, если Dq < 0 — увлажнение.

Безусловно, эта оценка приблизительна. На разных участках стенописи (нижняя часть стены и своды, наружные и внутренние конструкции) могут идти различные процессы (с различной величиной Dq). Именно поэтому полученная таким образом картина общего состояния температурно-влажностного режима памятника должна быть конкретизирована для его отдельных участков (объемов) путем прямых инструментальных измерений и определения возможности конденсационного (сорбционного) увлажнения.

* * *

Подводя итоги реставрационных и исследовательских работ по соборному комплексу Ферапонтова монастыря, проведенных в 2003 году, следует отметить следующее:

1. Устройство теплых полов в Рождественском соборе и окружающих помещениях выполнено:

- в соответствии со специальным проектом, разработанным на основании многолетних теоретических и натурных изысканий;

- с использованием специальных технологий, исключающих применение «мокрых» процессов, потенциально опасных для уникальных росписей;

- на высоком техническом уровне, с выполнением защитных мероприятий, исключающих повреждение фресок.

2. Введение ограниченного обогрева в целом улучшило температурно-влажностный режим собора в 2003 году:

- инструментально зафиксировано снижение уровня и уменьшение амплитуды изменений относительной влажности воздуха в соборе в течение годового цикла;

- отмечено общее снижение влажности материалов стенописи для наиболее увлажненной северо-западной части собора;

- существенно сократился (до одного месяца) возможный период конденсационного (сорбционного) увлажнения конструкций собора;

3. Используя возможности системы обогрева, в 2003 году удалось практически постоянно поддерживать рекомендованный градиент температур между собором и окружающими его помещениями (рис. 7).

Рисунок 7. (подробнее) Сравнительный ход температур в соборе и на паперти после введения в действие теплых полов (2003 г.)

4. Изменение температурно-влажностного режима привело к изменению (упрощению) методов проветривания, когда температурный фактор, как более легко контролируемый, варьируется в зависимости от влажностных характеристик. При проветривании допускается снижение температуры в пределах рекомендуемых соотношений для нормализации влажности.

5. В развитие общих принципов проведения мониторинга памятников архитектуры, была применена методика комплексной оценки температурно-влажностного режима, использующая основные критерии сохранности монументальной живописи — постоянство влагосодержания и минимизация потоков влаги. Или, другими словами, анализ результатов, проведенный с этих позиций, свидетельствует о появившейся реальной возможности управлять с помощью системы «теплых полов» как скоростью высыхания материалов кладки, так и направлением потоков влаги в конструкциях собора.

Литература

1. Сизов Б. Т. Мониторинг температурно-влажностного режима памятников архитектуры (на примере Рождественского собора Ферапонтова монастыря) // АВОК. 2003. № 2.

2. Покрышкин П. П., Романов К. К. Древние здания в Ферапонтовом монастыре. С-Пб, 1908.

3. Богословский В. Н., Сизов Б. Т. Принципы выбора параметров температурно-влажностного режима древних зданий, обеспечивающих их сохранность // Научные исследования в области охраны памятников. Сб. Варшава, 1988.

4. Сизов Б. Т. Храм Василия Блаженного. Изучение температурно-влажностного режима // АВОК. 2004. № 3.

5. Сизов Б. Т. Теплофизические аспекты сохранения памятников архитектуры // АВОК. 2002. № 1.

 

Тел. (095) 278-80-64

 

1 Производство работ выполнено фирмой ООО «Электра» под руководством К. Л. Смирнова.

2 К сожалению, этот пример не единичен для начала XX века. Свойства «бетонного камня» на основе цемента, в частности низкие влагопроводность и паропроницаемость, способность удерживать влагу, не были достаточно известны. В отдельных памятниках нам до сих пор приходится исправлять последствия примененного из лучших побуждений «модного» материала.

3 Эти работы были выполнены по проекту и под руководством Т. В. Логачевой.

4 5 °С — это цена одного деления на регулировочной шкале датчика.

5 До включения обогрева пола положительные температуры в соборе поддерживались с помощью бытовых электрорадиаторов.

6 Измерения проводили с помощью влагомера «ВСКМ—12+» и контактного термометра «Дана Терм». Подробно методика проведения натурных исследований изложена в [1].

7 Точки 16, 17 и 20 (рис. 1) характеризуют наиболее увлажненные участки конструкций, а точки 1 и 23 можно отнести к переходным зонам между влажным и воздушно-сухим состоянием материалов внутренних поверхностей стен собора.

8 В данной статье использованы результаты инструментальных измерений конструкций на высоте 0,2 м от существующего пола. На основе исследований предыдущих лет нами определено, что данные, полученные для этого уровня, достаточно полно характеризуют динамику сезонных изменений влажности материалов собора в целом.

9 q = 0,62197•e / (1000 — 0,37803•e), где e — парциальное давление водяных паров.

10 Минимизация потоков влаги через внутреннюю поверхность ограждающих конструкций (через живописный слой) принята в качестве одного из критериев сохранности [5].

11 Мы предполагаем, что в капиллярно-пористых материалах, к которым относится большинство материалов конструкций древних зданий, сорбция или конденсация водяных паров являются различными фазами единого процесса увлажнения.