Создание и поддержание требуемых микроклиматических условий в помещениях и подклетах православных храмов

А. Г. Кочев, канд. техн. наук, доцент кафедры отопления и вентиляции Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета

Влажностный режим в подвальных помещениях церквей и соборов колеблется в достаточно широких пределах. Максимальная относительная влажность внутреннего воздуха наблюдается в период оттепелей.

Применение для осушения стен церквей и храмов общепринятых методов гидроизоляции (закладки гидроизоляционных слоев) с интенсивным вентилированием нагретым воздухом эффективно для помещений общественных и производственных зданий без специальных требований, а в храмах этот метод не возможен из-за потери существующего исторического слоя росписей, штукатурки, отделки, лепнины и несущей способности стен и сводов. Для осушения ограждений храмов можно применить методы пассивного и активного электроосмоса.

Электроосмотический метод осушения стен заключается в том, что в стенах горизонтально заделывают проводник в виде медной проволоки, который благодаря заземлениям, проходящим в фундаменте, создает полярность, обратную естественно возникающей между ограждениями подвала у подошвы фундамента и стенами на уровне поверхности. Поэтому электроосмотические силы перемещают влагу из конструкций фундамента в направлении, обратном действию капиллярных сил.

Рисунок 1. Рождественская церковь в Нижнем Новгороде

Принципиальная схема устройства установки электроосмотического осушения представлена на рис. 2. Кирпичная кладка из глиняного обыкновенного кирпича кладется в металлической ванне и с одной боковой стороны ограждается металлическим коробом.

Размеры 1 030 x 1 030 x 1 040 мм. Ванна перед началом возведения кладки и металлический короб после строительных работ засыпаются песком. Целью устройства такой конструкции является создание искусственной разности электрических потенциалов между грунтом и кирпичом, естественно возникающей в реальных условиях.

Под действием капиллярных и электроосмотических сил влага из грунта проникает в кирпич. Миграция влаги в кубе кладки происходит в сторону свободной боковой поверхности. Водяные пары со свободной поверхности кладки диффундируют в помещение за счет разности потенциалов относительного давления водяных паров на поверхности ограждения и в воздушной среде.

Введя внизу медный электрод с положительным потенциалом, а вверху алюминиевый – с отрицательным, замкнув их накоротко между собой, мы создаем условия протекания тока I" по внешней цепи от медного электрода к алюминиевому. Согласно теории замкнутой цепи внутри кирпича должен существовать разностный ток I, направленный от алюминиевого электрода к медному:

I – I" = I'.

Поскольку ток короткого замыкания I" значительно больше капиллярного тока I', то ток I является рабочим током, который создает условия обратного движения жидкости сверху вниз. Таким образом, конструкция из штырей способствует удалению влаги и может выполнять роль гидроизоляции.

В большинстве храмов Владимирской, Пермской, Ивановской и Нижегородской областей заглубленные конструкции восстанавливаемых и реконструируемых храмов находятся в переувлажненном состоянии.

Температурное поле наружной стены вблизи оконных проемов изменяется. Это изменение тем значительнее, чем толще стена и чем меньше расстояние между оконными переплетами. При этом температура внутренней поверхности стены несколько повышается по мере приближения к углу проема, а на откосах проема резко понижается.

В зонах с отрицательными значениями температуры в толще конструкций стен и откосов оконных проемов подклетов происходит замерзание конденсата и влаги, что приводит к разрушению структуры материала и снижению его прочностных характеристик.

Переувлажненные ограждающие конструкции вызывают дополнительные теплопотери через зоны регулярных (сезонных) температурных колебаний. Однако при расчетах отопления эти дополнительные теплопотери не учитываются, что приводит к понижению значению температуры в помещениях подклетов ниже точки росы и конденсации водяных паров на внутренних поверхностях наружных стен и пола в храмах. Теплопотери через ограждающие конструкции подклетов храмов оказываются больше на 10–20 % от расчетных.

Рисунок 2. Схема экспериментальной установки электроосмотического осушения стен

В результате экспериментальных исследований, проведенных в нескольких храмах Нижнего Новгорода и Нижегородской области за период 1994–2006 годов (Спасская церковь и cобор Cвятого Александра Невского Нижнего Новгорода, Крестовоздвиженский cобор Пермской области, Троицкая церковь г. Заволжье и Церковь Cвятой Троицы деревни Ясенцы Нижегородской области), получены положительные результаты по снижению теплопотерь подклетов. Величины снижения теплопотерь DQ через ограждающие конструкции подклетов до Q_под1 и после Q_под2 их осушки, проведении защитных мероприятий и наличии инженерных систем приведены в табл. 1 для стен подклетов толщиной d_о = 1,04–1,81 м и температурах внутреннего воздуха t_в = 12–14 °С, наружного воздуха t_н = –25 ч ÷ –34 °С.

Данные результаты свидетельствуют о том, что только за счет осушки переувлажненных конструкций подклетов с обеспечением требуемого паропроницания, гидроизоляции и защитой стен от атмосферных осадков и при создании требуемых метеорологических условий инженерными системами можно достичь экономии тепловой энергии в храмах порядка 2,5–5 % от общих теплопотерь здания.

При температуре внутреннего воздуха в подклетах (за пределами хранилищ овощей) t_в = 12–16 °С и относительной влажности j_в = 50–75 % значение температуры точки росы t_т.р. = 3,0–11,5 °С, что приводит к постоянному выпадению конденсата на стенах и откосах в холодный период года. В результате изменяются теплозащитные характеристики материалов в конструкциях пола, стен, оконных откосов и на их поверхности, образуется плесень, грибок, портятся фрески и роспись.

Повышение температуры на поверхности стен будет способствовать сохранности фресок и художественной росписи интерьера подклетов.

В процессе восстановления или реконструкции основными мероприятиями для предотвращения конденсации водяных паров на поверхностях наружных стен помещений храмов являются установка дополнительного ряда оконных рам (тройное остекление) и подача теплого воздуха от нагревательных приборов систем отопления в объем помещения и к окнам.

Рисунок 3. Собор Святого Александра Невского в Нижнем Новгороде

Православные храмы круглогодичного действия в регионах с расчетной температурой наружного воздуха t_н ≤ –25 °С имеют в основном однослойную конструкцию стен из глиняного обыкновенного кирпича толщиной в пределах d_ст = 0,9–1,54 м.

В восстановленных и реконструированных храмах Владимирской, Пермской, Ивановской и Нижегородской областей оконные блоки с двойными деревянными раздельными переплетами располагаются на расстоянии d_ок = 0,10–0,25 м от наружной поверхности стены.

Температурное поле наружной стены вблизи оконных проемов изменяется. Это изменение тем значительнее, чем толще стена и чем меньше расстояние между оконными переплетами. При этом температура внутренней поверхности стены несколько повышается по мере приближения к углу проема, а на откосах проема резко понижается.

Низкие температуры на поверхности откосов оконных проемов вызывают дополнительные теплопотери через оконные проемы, возрастающие с увеличением толщины стены. Однако при расчетах отопления эти дополнительные теплопотери также не учитываются, что приводит к заниженным значениям расчетных теплопотерь через окна в церквях.

Соотношение площадей остекления храмов к общей площади ограждающих конструкций составляет:

Поэтому расчетные мощности систем отопления церквей оказываются на 10–12 % меньше от требуемых.

При температуре внутреннего воздуха в церквях t_в = 12–14 °С и относительной влажности j_в = 30–60 % значение температуры точки росы t_т.р. = 2,0–6,6 °С, что приводит к постоянному выпадению конденсата на откосах. В результате изменяются теплозащитные характеристики материалов в конструкциях оконных откосов и на их поверхности, образуется плесень, грибок, портятся фрески, роспись и станковая живопись.

В результате экспериментальных исследований в вышеприведенных храмах Нижнего Новгорода и Нижегородской области получены величины снижения теплопотерь для двойных оконных переплетов d_ок = 0,15 м при переносе оконных коробок в процессе реконструкции из положения d₁ / d_о = 0,862 (с потерями теплоты Q_ок1) в положение d₂ / d_о = 0,345 (с теплопотерями Q_ок2) в стенах толщиной d_о = 1,04–1,16 м и температурах t_в = 14 °С, t_н= –27 ÷ –30 °С.

Полученные опытные данные приведены в табл. 2.

Из этого следует, что только за счет рационального расположения оконного переплета можно достичь экономии тепловой энергии в храмах порядка 3,5–7 % от общих теплопотерь здания.

Экономия тепловой энергии в храмах только за счет вышеперечисленных мероприятий составляет порядка 10–12 % от общих теплопотерь здания. К этому следует добавить, что уменьшенная величина зоны возможной конденсации на поверхностях откосов будет способствовать сохранности фресок, художественной росписи и интерьера храмов.