Системы кондиционирования микроклимата в православных храмах

А. Г. Кочев, доктор техн. наук, профессор, ГОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Согласно данным нормативных источников [1, 2, 3] в холодный период года при температуре в молебенном зале 14–16 °С каждый человек выделяет до 40 г/ч, а в теплый период при температуре 23–25 °С до 50 г/ч водяного пара. По результатам экспериментальных исследований установлено: количество водяного пара, выделяемого при сжигании свечей, составляет 1,3 кг/кг парафина, а теплота (по низшей теплоте сгорания), выделяемая от зажженных свечей, равна 46 810 кДж/кг парафина. Количество углекислого газа, выделяемого одним человеком, составляет 23 л/ч, а при сжигании свечей – 1 650 л/кг парафина. Тепловыделения от людей по полной теплоте составляют 80 Вт в теплый период года и 100 Вт – в холодный.

Отличительными особенностями эксплуатации православных храмов являются: большое количество людей, молящихся стоя; большое количество зажженных свечей во время службы и большое количество престольных праздников в течение года.

Тепловая защита помещений

В последние годы в России наблюдается интенсивное восстановление разрушенных, реконструкция существующих и строительство новых православных храмов. Часто летние храмы стали переводить в круглогодичный режим эксплуатации. Массивные стены православных храмов толщиной 1,04–1,56 м имеют большую инерционность D ≥ 7, что отвечает современным требованиям по сопротивлению теплопередаче. Следует помнить, что элементы наружных ограждающих конструкций летних храмов не имеют требуемых теплотехнических характеристик и сопротивления паропроницанию. Поэтому летние храмы следует сначала реконструировать, повысив сопротивления теплопередаче окон храма, арок, шатров и закомарных перекрытий, стен и заполнений оконных проемов центрального и малых барабанов, арок куполов и их сопротивления паропроницанию до нормативных значений. При конструировании завершений куполов (луковиц, шатров) следует предусматривать щелевые зазоры для просушки утеплителя.

На основании полученных экспериментальных и расчетных данных можно проводить анализ теплотехнического состояния наружных стен вблизи заполнения оконного проема различной конструкции, а также анализировать энергетическую и экономическую эффективность предлагаемых конструктивных решений, не прибегая к сложным исследованиям, что дает возможность применять полученные зависимости для любых архитектурных форм православных храмов. Коробка оконного переплета в массивных стенах (при сравнимых размерах ширины окна и толщины стены) должна располагаться в строго определенном месте по отношению к продольной оси стены [4, 8]. Это расположение определяется расчетным способом с помощью программного продукта «Откос».

При остекленности ограждений храмов в пределах 10–30 % уменьшение теплопотерь (порядка 11 %) достигается в процессе оптимизации расположения оконных переплетов по отношению к продольной оси стены (считая от общих теплопотерь зданием храма). Прежде чем конструировать инженерные системы в храмах, следует обеспечить герметичность здания с теплотехнической точки зрения.

В настоящее время известны случаи установки в храмах оконных переплетов из ПВХ и современных уплотненных деревянных оконных переплетов с однокамерными и двухкамерными стеклопакетами. Эти конструкции оконных переплетов исключают поступление наружного воздуха через неплотности открывающихся частей заполнения оконных проемов и создают условия для образования сосредоточенных (компактных) воздушных потоков, врывающихся в храм при открывании наружных дверей. Компактные струи вызывают интенсивное колебание одежды на прихожанах и священнослужителях, задувание свечей и интенсивное раскачиванию лампад [9]. Поэтому в храмах не следует устанавливать современные пластиковые и герметичные деревянные оконные переплеты со стеклопакетами. В храмах, в которых уже установлены данные элементы остекления, следует конструировать в оконных переплетах специальные устройства (аэрационные фрамуги, щелевые зазоры с заслонками) для обеспечения регулируемого воздухообмена для холодного, переходного и теплого периодов года.

Отопление храмов

В Нижегородском архитектурно-строительном университете выполняются исследования по разработке рекомендаций конструирования тех или иных видов систем отопления с естественной вентиляцией в храмах средней полосы и северных регионов России.

Полностью исключить выделение сажи при сгорании свечей невозможно, поэтому для снижения темпа осаждения поляризованной сажи на ограждающих конструкциях над отопительными приборами рекомендуется устанавливать для отопления храмов радиаторы (имеющие теплопередачу порядка 50 % конвекцией и порядка 50 % излучением [7]) или регистры из гладких труб с аналогичным перераспределением видов теплопередачи [6, 7]. Не следует в храмах устанавливать для отопления конвекторы, которые имеют около 75 % теплопередачи конвекцией и порядка 25 % – излучением [7]. Над конвекторами создаются мощные восходящие конвективные потоки, которые приводят к интенсивному осаждению сажи на ограждающих поверхностях над отопительными приборами. Для храмов в регионах с расчетной температурой наружного воздуха t_н ≤ –20 °С, в зависимости от их объемно-планировочных и конструктивных решений, следует конструировать либо радиаторные, либо комбинированные с панельно-лучистым или воздушным отоплением, либо только воздушные системы отопления.

Конструировать системы отопления с «теплыми полами» в храмах, расположенных в регионах с расчетной температурой t_н ≤ –20 °С, следует только после проведения специальных теплофизических и аэродинамических исследований. Образующиеся конвективные потоки над «теплым полом» ухудшают микроклиматические параметры в зоне дыхания человека. В большинстве архитектурных форм однокупольных, пятикупольных (двухстолпных, четырехстолпных, шестистолпных) храмов и храмах типа корабля с доминирующей вертикальной планировкой в молебенном зале не следует конструировать «теплые полы», так как конвективные потоки, образующиеся в храме, отрицательно влияют на параметры микроклимата и, соответственно, на самочувствие людей.

Естественная вентиляция помещений

Процесс сжигания свечей сопровождается выделением сажи из-за неполного сгорания парафина. При отсутствии требуемого воздухообмена в холодный период года в православных храмах сажа осаждается на людях, станковой живописи, фресках и ограждающих конструкциях, на которых имеется роспись. Для обеспечения требуемого воздухообмена в помещениях храма следует устанавливать двойное или тройное остекление в раздельных деревянных переплетах с конструктивными зазорами (щелями) в притворах открывающихся частей окон от 0,5 до 1 мм [4, 5, 9]. Перераспределение ветрового давления на поверхностях ограждающих конструкций обеспечивает рассредоточенные потоки приточного воздуха (инфильтрацию) через неплотности оконных рам и наружных дверей. Для ассимиляции теплоты, влаги (водяного пара) и углекислого газа, выделяющихся в храме во время службы, необходимо конструировать вытяжные фрамуги или системы вентиляции, иначе все эти компоненты начинают переноситься в храме рециркуляционными конвективными потоками. Сажа обладает свойством поляризации, поэтому при движении воздуха образуется статический потенциал на вертикальных ограждающих конструкциях и над отопительными приборами в храме видны следы осевшей сажи (копоти). При отсутствии вытяжной вентиляции это приводит к потемнению стен и свода купола. В переходный и теплый периоды года воздухообмен следует обеспечивать через форточки и аэрационные фрамуги.

Усиление свободной конвекции в храмах связано с тем, что на интенсивность движения конвективного потока около поверхности влияет общая подвижность воздуха в помещении. В теплопередаче часто применяют правило Мак-Адамса, согласно которому при совместном действии свободной и вынужденной конвекции (если общая подвижность воздуха в помещении относительно поверхности может рассматриваться как вынужденное движение) в расчет следует принимать большее из частных значений коэффициента теплообмена, определенных для свободной и вынужденной конвекции. Этим правилом следует пользоваться, когда имеет место лобовое обтекание поверхности. При направлении вынужденного движения вдоль поверхности можно определить коэффициент конвективного теплообмена, рассчитав скорость воздуха около поверхности сложением общей подвижности воздуха в помещении с его движением, вызванным разностью температуры.

За счет разности температуры Dt около вертикальной поверхности высотой h возникает естественный конвективный поток, которому сообщается энергия, равная Е=hbDt. Движущийся поток обладает кинетической энергией Е_к=v_max²/2g.

Потери энергии на трение в потоке считаются пренебрежимо малой величиной. Тогда в соответствии с законом сохранения энергии они равны между собой
v_max²/2g = hbDt, откуда максимальная скорость конвективного потока равна vmax = Зная подвижность воздуха вдоль поверхности при вынужденном движении, можно установить разность температур Dt_v, при которой возник бы конвективный поток вдоль поверхности с такой же максимальной скоростью:

Dt_v = v_max²/2bgh. (1)

Теплообмен в потоке свободной конвекции оказывается таким же, как и в вынужденном потоке, скорость которого v=0,5v_max, поэтому для воздуха при температуре t_в=20 °С эквивалентный (установленный) перепад температуры будет равен:

Dt_v = 15 v_max2 / h = 60v² / h. (2)

Пользуясь формулами (1) и (2), можно смешанную подвижность воздуха вдоль поверхности характеризовать условной разностью температур Dt_усл, величина которой вызовет такую же интенсивность свободного конвективного потока, как при естественной конвекции и общей подвижности воздуха в помещении:

Dt_усл = Dt + Dt_v, (3)

где Dt – разность температур между поверхностью и воздухом;

Dt_v – разность температур, эквивалентная подвижности воздуха в помещении v.

Формула (3) может быть использована при расчете теплообмена как на вертикальных, так и на горизонтальных поверхностях, так как входящая в нее величина Dt_v учитывает общую циркуляцию воздуха в помещении. В помещении при общей подвижности воздуха свободную конвекцию можно рассчитать по приведенным выше формулам, пользуясь значением Dt_усл вместо Dt.

Особенно подвижность воздуха влияет на параметры микроклимата во время престольных праздников, когда в помещениях храмов собирается большое количество прихожан. Люди зажигают свечи, что приводит к значительным выделениям теплоты, влаги и углекислого газа. Во время прохождения службы люди постоянно входят и выходят, поэтому наружные двери храма значительное время (20–30 минут в час) открыты. Это приводит к постоянному притоку холодного наружного воздуха в молебенный зал и приделы. Для подогрева и погашения скорости этого приточного воздуха следует в первом приделе конструировать воздушно-тепловые завесы, а также приточным воздухом, поступающим через фрамуги (с определенным углом раскрытия), расположенные на отметках выше 2,5 м от уровня пола молебенного зала, погашать динамический напор воздушного потока, поступающего через двери. Для предотвращения конденсации водяных паров в холодный период года на внутренних поверхностях куполов, оконных откосов и стен храма необходимо с помощью организованного воздухообмена удалить из помещения влагу, выделяемую людьми и зажженными свечами G_w.

Воздухообмен в храмах следует регулировать до службы, во время службы и после завершения службы [2]. После завершения службы свечи догорают на столешницах и производится влажная уборка пола помещения. В результате на пол выливается от 3 до 10 ведер воды, в зависимости от площади пола в храме. Всю эту высыхающую воду следует удалять из помещений храма вытяжными системами вентиляции (аэрацией) [2, 3, 6, 9]. В противном случае она будет проникать в массивные ограждающие конструкции, снижая их прочность и теплоустойчивость, портить художественную роспись, станковую живопись, фрески и предметы культовых обрядов.

Естественная вентиляция обладает свойством саморегулирования из-за изменения разности удельных весов приточного и удаляемого из помещения храма воздуха по периодам года и во время службы [4, 5, 8, 9]. Конструирование систем естественной вентиляции следует осуществлять с учетом исключения образования компактных приточных струй, поступающих в зону дыхания человека, и наиболее эффективного удаления загрязненного воздуха из объема помещения с помощью вытяжных систем, не портящих интерьер и фасады здания храма [2, 3, 6].

Нами разработаны методы расчета аэрационного воздухообмена и конструкции аэрационных фрамуг на основе значительного количества проведенных теоретических и экспериментальных исследований в храмах наиболее распространенных архитектурных форм.

Перераспределение давлений внутри храма и ветровых воздействий на наружных поверхностях ограждений определяет особенности создания аэрационного воздухообмена (расчетный перепад давления в холодный период DР = 34–160 Па, для теплого периода DР = 7,5–54 Па) при степени герметичности здания для перетекания воздуха k_v = 0,4–0,6 и расчетной температуре t_н ≤ –25 °С. Воздействие ветра на элементы ограждений характеризуется аэродинамическими коэффициентами С_v. Числовые значения и знаки аэродинамических коэффициентов С_v на элементах наружных ограждений были определены в результате серии экспериментальных исследований на моделях храмов в аэродинамических трубах [8, 9].

Саморегулируемость расходов естественной системы вентиляции позволяет сэкономить 20–50 % теплоты относительно аналогичных по максимальным расходам воздуха механических систем вентиляции.

Режимы работы систем естественной вентиляции (на примере Собора святого благоверного князя Александра Невского)

Минимальный воздухообмен при различном заполнении храма прихожанами будет соответственно равен: при

1 000 чел. L_min = 2 865 м³/ч; при 2 000 чел. L_min = 5 730 м³ / ч; при

2 500 чел. L_min = 7 165 м³ / ч. Временной интервал, в течение которого не будет происходить выпадение влаги на внутренних поверхностях ограждающих конструкций храма без организованной естественной вентиляции, определяется из следующего условия. Минимальная влагопоглощающая способность внутреннего воздуха помещений при изменении его параметров от начальных t_в = 12 °С и j_в = 30 % до конечных t_в = 14 °С и j_в = 60 % равна:

G₁ = V_п • r_в • (d_к – d_н )• 10^-3, (4)

где d_н = 2,5 г / кг сух. возд.; d_к = 8 г / кг сух. возд.; V_п = 12 137 м³ – внутренний объем храма. Тогда G₁ = 82 107 г.

Максимальное время эксплуатации здания храма без выпадения конденсата на внутренних поверхностях составляет:

t_max = G₁ / G_w (5)

Значения t_max:: при 1 000 чел. t_max = 2,81 ч или 2 ч 49 мин; при 2 000 чел. t_max = 1,46 ч или 1 ч 28 мин; при 2 500 чел.

t_max = 1,18 ч или 1 ч 11 мин.

Без наличия вентиляции для удаления влаги выпадение конденсата будет происходить в течение второго часа проведения службы при 2 000 чел.

Минимальный воздухообмен для разбавления углекислого газа (СО₂), выделяющегося в храме, равен: при 1 000 чел. = 15 335 м³ / ч; при 2 000 чел. = 30 665 м³/ч;

при 2 500 чел. = 38 335 м³ / ч.

Наиболее характерными с точки зрения организации естественного воздухообмена в храме, находящемся в Нижнем Новгороде, являются северо-восточное и юго-западное направления. Расчетная схема воздухообмена в соборе приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Расчетная схема воздушных потоков в храме: 1 – подклет; 2 – своды; 3 – барабан; 4 – отопительные приборы. Цифры в кружках 1–6 – номера открывающихся фрамуг в окнах первого и второго ярусов и барабане; теплый влажный воздух; охлажденный влажный воздух; сухой нагретый воздух; наружный воздух

Обеспечение параметров микроклимата подклетов

При наличии в храмах подклетов с эксплуатируемыми помещениями следует гидравлически и аэродинамически увязывать системы отопления и вентиляции подклетов с инженерными системами помещений храмов.

Переувлажненные ограждающие конструкции подклетов вызывают дополнительные теплопотери через зоны регулярных (сезонных) температурных колебаний. Но при расчетах отопления эти дополнительные теплопотери не учитываются, что приводит к понижению значений 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 расчетных на 10–20 %.

В соответствии с теорией планирования эксперимента и разработанной методикой были проведены эксперименты по определению расходов воздуха, предназначенных для удаления избытков влаги с внутренних поверхностей ограждающих конструкций подклетов при их осушке (на разных стадиях) методами активного и пассивного электроосмоса.

Рисунок 2 (подробнее)   Зависимость расхода воздуха от времени осушения и типа конструкции. Напряжение 30 В. Глиняный кирпич с пластиной и сеткой: 1 – теоретический расчет; 2 – экспериментальные данные

На рис. 2 приведен пример графика с расчетными и экспериментальными значениями расходов воздуха в зависимости от материала конструкции, способа подключения контактов и подводимой мощности.

После проведения экспериментальных исследований полученные расходы воздуха сравнили с теоретическими расчетами. Погрешность составила в плотных стенах (без трещин) 7–15 %, а в неплотных (с трещинами) 20–35 %. Исследования проводились на стенах из глиняного обыкновенного кирпича и стенах из силикатного кирпича.

За счет осушки переувлажненных конструкций подклетов с обеспечением требуемого паропроницания, защитой стен от атмосферных осадков и при создании требуемых метеорологических условий инженерными системами можно достичь экономии тепловой энергии в храмах порядка 7–15 % от общих теплопотерь здания. К этому следует добавить, что повышение температуры на внутренней поверхности стен будет способствовать сохранности фресок и художественной росписи интерьера подклетов.

Литература

1. СП 31-103-99. Здания, сооружения и комплексы православных храмов / Госстрой России. – М. : АХЦ «Арххрам», ГУП ЦПП, 2000.

2. Стандарт АВОК-2-2002. Храмы православные. Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха. – М. : АВОК-ПРЕСС, 2002.

3. Стандарт АВОК-2-2004. Храмы православные. Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха. – М. : АВОК-ПРЕСС, 2004.

4. Фокин К. Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий / К. Ф. Фокин. – Изд. 4-е, перераб. и доп. – М. : Стройиздат, 1973.

5. Богословский В. Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха): Учебник для вузов / В. Н. Богословский. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – М. : Высш. школа, 1982.

6. Павловскiй А. К. Курсъ отопленiя и вентиляцiи. Ч. 2. Центральныя системы отопленiя. Вентиляцiя. – С.-Петербургъ : Строитель, 1907.

7. Богословский В. Н. Отопление: Учебник для вузов / В. Н. Богословский, А. Н. Сканави. – М. : Стройиздат, 1991.

8. Кочев А. Г. Микроклимат православных храмов : дис. … д-ра. техн. наук: 05.23.03. / А. Г. Кочев; Нижегородск. гос. арх.-строит. ун-т. – Н. Новгород, 2006.

9. Кочев А. Г. Микроклимат православных храмов / А. Г. Кочев. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2004.