Оптимизация микроклимата в православном храме методом числового моделирования воздушных потоков

В настоящее время в г. Магнитогорске, как и в других городах России, православные храмы стали неотъемлемой частью как архитектуры, так и жизни горожан. Наладился активный диалог представителей православных сооружений с хозяйственными организациями и коммунальными службами. В процессе общения выяснилось, что, несмотря на строгие правила проектирования и устройства культовых сооружений, регламентированные религиозными устоями и строительными нормами, зачастую в современных храмах возникают определенные проблемы с отоплением и вентиляцией, даже при вполне удовлетворительном соблюдении указанных норм [1].

Нестандартная форма здания отличает храмы от других общественных сооружений. Сложность конструктивного и объемно-планировочного решения диктует основные правила проектирования систем микроклимата [2]. Пространство православного храма вытянуто вверх, здание имеет большую высоту, но маленькую площадь. И это не прихоть архитектора, такая форма здания строго канонизирована из религиозных соображений. В таких больших объемах необходимо организовать надлежащий воздухообмен и обеспечить должный прогрев воздуха по всему простран- ству, рассчитать геометрию естественных потоков и приточных струй, обеспечить удаление загрязненного воздуха в обход участков скопления людей [3].

Огромный интерес представляют фрески, иконы и росписи на стенах. Эти детали делают сооружение незабываемым и неповторимым, поэтому очень важно сохранить эту красоту и неповторимость в первозданном виде. Сделать это не всегда просто, так как в храме имеются стойки со свечами, расположенные у икон и распределенные практически по всему периметру здания. В каждой стойке может быть по 50–100 свечей (рис. 1), горящих одновременно [4]. От горящих свечей образовывается большой конвективный воздушный поток. Этот поток имеет высокую температуру и множество загрязняющих веществ, которые оседают на внутренней отделке. Согласно данным, приведенным в [5], от горения одной свечи стандартного софринского типоразмера в воздух выделяется 1,3 кг водяного пара ежечасно, от дыхания каждого прихожанина, церковно- и священнослужителя – 40 г. В пересчете на среднее число свечей в храмовом помещении и типичную наполняемость рассчитанной на несколько сотен прихожан церкви получается, что каждый час богослужебно-

Инженерное оборудование зданий и сооружений

Рис. 1. Вид стандартной стойки на 60 свечей

го времени образуется два- три в едра в оды на квадратный метр площади пола!

В б ол ь ши нс т в е х ра м ов в каче с тв е с исте м от опл ени я испол ьзу ют трад и ц и онное в одя ное отопление от ра д иа торов или кон в екторов , которые ра спол ож ены в до л ь на р у ж ны х с тен и уси л ив ают мощность конвективного пот ока [ 6]. Это является причиной того, что саж а ин те нсивно ос е да е т на сте нах з да н ия и фре с ках , а от из быточ ной тепл оты могу т п орти ться ик он ы и п окры ти я с тен. Водя ной па р б ол ее че м в пол тора ра з а л е гче в оз д у х а , он акт ив н о с тре м и тс я к в е рш и не з а м кн у того объ е м а . Вместе с кон в е кти в н ы м и п отока м и те п л а он с п особ ен ув л е кать с с обой м е л к одис пе рсные ча с тичк и са ж и и и н ы х п род у ктов гор е ни я с в ече й, те, в свою о че ре дь, пол яри з у ю тс я и б ы с тро а дс орби р у ютс я в ну т рен н им и п ов ер х н ост ям и и нте рье ра (ос обе нно эффективно – не од нородн ым и с геом е трической л иб о с физиче с кой точе к зре ния). Э т им объяс няются грязно-т ем ные с л еды, которые ча с то м ож но в идеть на стена х над отоп и те л ь ным и приб орам и в храмовом помещении [5] (рис. 2, 3).

Еще одна особенность православных храмов– это почти полное отсутствие оконных проемов. Обычно только под потолком и в подкупольном пространстве есть маленькие узкие окошки, которые выполняют эстетическую функцию и пропускают слабые солнечные лучи (рис. 3). В современных храмах оконные проемы часто заменяют герметичными пластиковыми стеклопакетами. Пластиковые окна имеют ряд преимуществ: эстетичный внешний вид, долговечность, удобство в эксплуатации, их использование является эффективным энергосберегающим решением. Но, пластиковые окна значительно снижают эффективность естественной вентиляции и при большом скопле- нии людей, каналы организованной естественной вентиляции, не справляются с удалением необходимого количества воздуха.

Описанные выше проблемы очень актуальны для Свято-Вознесенского собора в г. Магнитогорске. Несмотря на относительно небольшой срок эксплуатации здания, вид его внутреннего убранства значительно отличается от первоначального вида: внутренние поверхности стен храма закопчены настолько, что в верхней половине уже не различимы фрески и росписи (рис. 2), вместо света в подкупольных пространствах царит мрак (рис. 3).

Удалить сажу влажной уборкой невозможно, так как рисунки выполнены гуашью, которая растворяется в воде. Храм теряет свою красоту и привлекательность. Следует срочно принимать меры для его спасения. С этой целью необходимо выполнить работы по оптимизации систем отопления и вентиляции храма.

Кроме особенностей архитектурнопланировочного решения, большое влияние на устройство систем отопления и вентиляции оказывает режим его работы. Количество посетителей храма может меняться в зависимости от времени суток, дней недели, а также при наступлении религиозных праздников [4]. Так, например, днем в понедельник, в основном помещении храма может находиться всего два-три человека (рис. 4).

В воскресенье или праздники, когда идет служба, число человек может возрасти до нескольких сотен (рис. 5).

Очевидно, что в различные периоды времени в храме целесообразно понижать или увеличивать мощность систем отопления и вентиляции. Выполнять это необходимо с помощью современных

Старкова Л.Г., Морева Ю.А., Новоселова Ю.Н.

Рис. 2. Следы «закопчения» нижней части наружной стены храма

Рис. 3. Следы «закопчения»верхней части стен и подкупольного пространства храма

ав том а тизиров а н ных с исте м контрол я с дис тан ци о н ным у пра в л е н ие м от датчиков те м пе ра т у ры и газ ов ого с ос та в а в н у тре н не г о в оз д ух а .

Обобщая сказанное выше, можно сделать вывод о том что сложное конструктивное и объемнопланировочное решение, художественное оформление внутренних стен храма, избыток тепловых конвективных потоков и вредностей, выделяющихся от свеч, ладана и людей, малое количество оконных проемов, применение герметичных стеклопакетов, крайне неравномерное во времени количество посетителей, стоимость энергообеспечения систем микроклимата – это те факторы, кото- рые требуют детального учета при конструировании оптимальных систем отопления и вентиляции современных храмов. По словам самих священников, схему воздухообмена нужно просчитывать просто виртуозно [6].

Решение задачи требовало проведения теоретических и экспериментальных исследований, которые были выполнены авторами данной работы. Для исследования был выбран наиболее точный на сегодняшний день метод использования электронно-цифровой модели воздушнотепловых потоков в здании. Инструментом для построения модели выбран программный ком-

Инженерное оборудование зданий и сооружений

Рис. 4. Количество посетителей в будние дни работы храма (15 человек)

Рис. 5. Количество посетителей во время рождественской службы (более 300 человек)

плекс SolidWorks с п о д п р о г р а мм о й Flow Simulation. Целью исследования являлось разрабо т к а мер о п р и я т и й п о о п ти ми з ац и и с у щ ест в ующи х си ст ем о т о п лени я и ве н тиля ци и зд ани я . Для достижения цели были п о ст авлен ы следу ю щие з ад ач и : вы я влен и е г ео ме тр и ч еск и х и т еп ло вы х х ар ак т ер и ст и к к о н век т и вны х и во зд у шн ы х ст ру й , об р азу ю щ и хся в р азли ч н ы е п ер и о д ы раб о т ы храма, вы я влен и е заст о й н ы х зо н в о зд уха, вы я в лен и е х ар ак т ер а д ви жени я во зд ух а со д ер жащ ег о ч а стицы сажи в объеме здания.

Первоначально был произведен сбор исходной графической документации, по результатам которого, на основании существующих планов и разрезов здания была создана геометрическая модель здания, показанная на рис. 6.

Далее, в декабре 2017 года, было проведено натурное обследование воздушных потоков в храме в различные периоды работы храма (см. рис. 1–5). По результатам натурного обследования в расчетный комплекс введены были исходные и граничные условия для построения модели воздушных потоков в скоростном выражении. Примеры 2-d модели воздушных потоков в различных сечениях храма приведены на рис. 7.

На основе построения моделей скоростей тепловоздушных потоков (рис. 7) были определены зоны, опасные для осаждения сажи на стенах и

Старкова Л.Г., Морева Ю.А., Новоселова Ю.Н.

Рис. 6. Фрагмент геометрической 3-d модели здания храма

а)

Рис. 7. Пример 2-d модели поля скоростей в продольном (а) и поперечном (б) сечениях храма при естественной приточной и механической вытяжной вентиляции

б)

застойные зоны, неблагоприятные для длительного нахождения людей.

В результате проведенного исследования были сделаны следующие выводы.

• 1.    В холодный период года, когда работают приборы водяного отопления, недостаточно использовать только естественный неорганизованный приток воздуха в здание (через окна и двери) необходима механическая приточная вентиляция с целью воздушной защиты внутренней поверхно-

• сти наружных стен от осаждения частиц сажи; в теплый период работа механической приточной вентиляции не требуется.

• 2.    Крайне необходимо устройство естественной вытяжки через окна и люки (колосники) в подкупольных пространствах, механическая вытяжка необязательна, так как приточная струя будет «вытеснять» теплый воздух за счет естественной конвекции.

• 3.    Крайне нежелательно использовать герметичные окна с пластиковыми рамами, необходимо отдавать предпочтение традиционным окнам в деревянных переплетах, так как они обеспечивают естественный воздухообмен и удаление воздуха из верхней зоны храма, что вполне достаточно для режимов с отсутствием или малым количеством посетителей.

• 4.    Водяное отопление стоит предусматривать только для подержания минимально допустимой температуры воздуха (+5–8 °С), остальные теплопо-тери компенсировать воздушным отоплением, совмещенным с приточной вентиляцией, что будет способствовать равномерному прогреву стен и внутреннего пространства барабанов. Включать воздушное отопление необходимо заранее, за 1–2 часа, до прихода посетителей, т. е. до того как начнется активное горение свечей.

• 5.    Скорость подачи воздуха системой воздушного отопления с приточной вентиляцией должна быть минимальной, так чтобы движение воздуха сквозь пространство храма стремилось в идеале к ламинарному.

Инженерное оборудование зданий и сооружений

В дальнейшем, с помощью метода электронноцифрового моделирования будут определены кон- кретные конструктивные характеристики систем вентиляции и воздушного отопления, на основании которых можно будет разработать проект их реконструкции для данного храма.