19.03.2010. Системы кондиционирования микроклимата в православных храмах

Особенности проведения обрядов и служб в православных храмах, наличие художественной росписи конструкций, фресок, икон, предметов культовых обрядов, конструктивное оформление алтаря, часто имеющих историческую, архитектурную и художественную ценность, предъявляют повышенные требования к обеспечению качества микроклимата в помещениях храмов. Обеспечение требуемых параметров микроклимата является сложной задачей. С одной стороны, необходимо создать комфортные условия для находящихся там людей. С другой – обеспечить сохранность элементов оформления и культовых предметов, которые выполнены из различных материалов и, в свою очередь, требуют различных условий для хранения. При этом необходимо учесть, что число людей, посещающих, например, праздничные службы, зачастую значительно превышает то количество, на которое рассчитан храм.
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
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) или регистры из гладких труб с аналогичным перераспределением видов теплопередачи. Не следует в храмах устанавливать для отопления конвекторы, которые имеют около 75 % теплопередачи конвекцией и порядка 25 % – излучением. 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 tн ≤ –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 tн ≤ –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. 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.