Тепловой режим помещений памятников архитектуры (на примере соборов-музеев Московского Кремля)

Ю. А. Табунщиков, канд. техн. наук
В. Н. Дахно, канд. техн. наук
И. С. Мельникова, канд. техн. наук
В. Н. Проценко, инженер

В течение ряда лет Научно-исследовательский институт строительной физики проводит исследования в соборах-музеях Московского Кремля с целью установления фактического температурно-влажностного режима помещений и определения значений температуры и влажности внутреннего воздуха, обеспечивающих долговременную сохранность ограждающих конструкций, настенной живописи и предметов прикладного искусства.

По условиям обеспечения теплового режима в помещениях соборы-музеи Московского Кремля можно разделить на две группы: к первой группе относятся соборы-музеи с регулируемыми в зимний период температурным и влажностным режимами внутреннего воздуха (Успенский, Архангельский и Благовещенский соборы-музеи), ко второй – соборы-музеи с нерегулируемым влажностным режимом в зимний период (из этой группы исследования проводились в церкви Ризоположения). В соборах-музеях с регулируемым в зимнее время температурно-влажностным режимом теплый воздух из системы кондиционирования подается через отверстия, расположенные в нижних частях помещений, и «выдавливается» через окна барабанов, снабженные системой дистанционного управления расходом. Летний режим в соборах-музеях Московского Кремля не регулируется.

Исходя из архитектурно-планировочных особенностей, оказывающих влияние на формирование теплового режима, в каждом из соборов-музеев можно выделить три части: центральную (основной объем собора); отдельные изолированные помещения; барабаны и подкупольное пространство. Натурные наблюдения фактического температурно-влажностного режима проводились в каждой из указанных частей соборов-музеев в зимнее время.

В центральной части каждого собора-музея определялись температура, относительная влажность и подвижность воздуха в различных точках на уровне 1,5 м от пола; температура и относительная влажность воздуха по высоте; температура, относительная влажность и скорость движения воздуха у приточных отверстий системы кондиционирования. Температура и относительная влажность воздуха на уровне 1,5 м от пола и у приточных отверстий измерялись психрометром Ассмана, а по высоте собора – с помощью медь-константановых термопар, прикрепленных к шарам-пилотам, наполненным гелием. Одна из термопар выполняла роль «мокрого» термометра, а другая – «сухого». Термопары подсоединялись к потенциометру ПП-63. Кроме того, производилась круглосуточная запись температуры воздуха по высоте собора с помощью гирлянды термопар, подвешенной к куполу. Подвижность воздуха определялась электротермоанемометром ЭА-2М.

Анализ данных измерений показывает, что в зимнее время температура и относительная влажность внутреннего воздуха на высоте 1,5 м от пола в центральной части в период посещения собора-музея экскурсантами не постоянны, а изменяются во времени (рис. 1). Так, в одной и той же точке собора-музея температура в течение дня изменяется на 1,5 °С, относительная влажность – на 12 %, а перепады этих величин в один и тот же момент времени в разных точках соответственно составляют 2 °С и 16 %. Отмеченная на одном и том же уровне неравномерность температуры и относительной влажности внутреннего воздуха объясняется тем, что экскурсанты, попадая снаружи внутрь собора, «вносят» холод.

Температура, относительная влажность и влагосодержание внутреннего воздуха в один и тот же момент времени неодинаковы по высоте соборов-музеев. Например, в основном объеме Успенского собора температура изменяется по высоте незначительно (кривая 6 на рис. 2), тогда как в барабане наблюдается существенное падение температуры (кривые 2, 4 на рис. 2). В табл. 1 приведены значения температуры, относительной влажности и влагосодержания внутреннего воздуха в центральной части, барабанах и подкупольном пространстве Успенского собора-музея. Из таблицы видно, что влагосодержание воздуха с увеличением высоты несколько уменьшается. В подкупольном пространстве наблюдается большой разброс значений температуры. Это объясняется неравномерностью потока в этой области, вызванной турбулентностью течения. В подкупольном пространстве относительная влажность воздуха выше, чем у основания барабана. Можно предположить, что в подкупольном пространстве образуется застойная зона. Аналогичные результаты получены и при измерениях в Архангельском и Благовещенском соборах-музеях.

В зимний период 1978 года «Сантехпроектом» проводилась регулировка системы кондиционирования. При этом было установлено, что количество воздуха, подаваемого в Успенский собор-музей, на 20 % меньше требуемого по расчету. Для проверки предположения, что недостаточная подача воздуха обусловливает понижение температуры и повышение относительной влажности воздуха в подкупольном пространстве, был значительно увеличен поток воздуха, подаваемого через центральный барабан, за счет перекрытия остальных четырех барабанов. В результате этого температура в подкупольном пространстве повысилась на 1,5 °С, а относительная влажность уменьшилась на 10 %. Аналогичный эксперимент в Архангельском и Благовещенском соборах-музеях положительных результатов не дал.

Параметры воздуха, измеренные в отдельных изолированных помещениях (Похвальский придел, Библиотека, Дмитровский придел в Успенском соборе-музее), практически не отличаются от соответствующих параметров воздуха в центральной части собора-музея на уровне 1,5 м от пола. Следовательно, температурно-влажностный режим воздуха внутри соборов-музеев достаточно равномерен (максимальная разница температур между стенами до сводов, полом и воздухом не превышает 1,5 °С).

Аналогичные измерения в помещении с нерегулируемым в зимний период влажностным режимом (церковь Ризоположения) показали, что температура и относительная влажность воздуха на высоте 1,5 м от пола в центральной части церкви составляет соответственно 17,6–19,8 °C и 22–29 %. В барабане и подкупольном пространстве температура резко понижается (11 °С), а относительная влажность возрастает (40 %). Поскольку в зимнее время относительная влажность и влагосодержание внутреннего воздуха значительно ниже, чем в летнее, внутренние слои штукатурки в зимнее время высыхают и отслаиваются. Это обстоятельство было установлено при натурных наблюдениях и подтверждено специальными обследованиями сотрудниками Музеев Московского Кремля. Для нормализации влажностного режима в церкви Ризоположения была рекомендована установка системы кондиционирования.

Согласно требованиям «Инструкции по учету и хранению музейных ценностей в художественных отделах музеев системы Министерства культуры СССР», температура воздуха в музейных помещениях должна составлять 12–18 °C, а относительная влажность воздуха 60–65 % при суточных колебаниях не более 5 %. Так как температурно-влажностный режим в соборах-музеях регулируется только в зимнее время, в течение большей части года параметры его значительно отличаются от требуемых. Так, в Успенском соборе-музее, по данным измерений, в 1977 году влажность внутреннего воздуха только в течение 78 дней соответствовала установленному Инструкцией значению, в Архангельском – 75, Благовещенском – 67 дней.

Значительные колебания влажности внутреннего воздуха обусловливают колебания влажности и деформации внутреннего слоя стен (штукатурка с фресками) и дерева (иконостас) и вызывают их разрушение. Таким образом, необходимым условием обеспечения долговременной сохранности памятников культуры является регулирование в них в течение года температурно-влажностного режима.

Одновременно с натурными измерениями были проведены исследования влияния изменения параметров внутреннего воздуха (в частности, его относительной влажности) на материалы ограждающих конструкций соборов-музеев. При изучении способности материалов к поглощению и отдаче влаги в гигроскопической области были выявлены сорбционные характеристики ряда материалов, взятых в различных местах ограждающих конструкций Успенского и Архангельского соборов-музеев. Анализ сорбционных кривых этих материалов показал, что они обладают значительно более высокой равновесной влажностью, чем аналогичные современные материалы. Так, максимальная гигроскопическая влажность (т.е. влажность, соответствующая полному насыщению воздуха при данной температуре) красного кирпича, взятого из стен соборов-музеев Московского Кремля составляет 9–18 %. Эта величина для современного красного кирпича, в том числе кирпича, который в настоящее время используется для реставрационных работ в Московском Кремле, не превышает 1–1,8 %. Повышенная влажность материалов ограждений архитектурных памятников обусловлена, очевидно, значительным содержанием солей в строительных материалах, эксплуатируемых в течение трех веков. Для проверки этого предположения были определены сорбционные характеристики образцов кирпича, специально изготавливающегося для реставрации кремлевских музеев, которые предварительно были пропитаны солями Na₂SO₄ и MgSO₄. Сорбционные характеристики материалов, взятых из стен соборов, и материалов, искусственно засоленных, как следует из данных рис. 3, близки друг к другу.
Повышенная влажность ограждений способствует их деформативным изменениям. Исследования по установлению зависимости деформации от влажности материала ограждений музеев-соборов выполнялись на отечественной голографической установке СИН. Установка включает в себя вакуумные камеры, в которые помещают образцы испытываемых материалов, систему откачки и напуска водяных паров, оптические устройства регистрации веса и деформации образцов. При исследовании деформаций использовались методы голографической и лазерной интерферометрии. Метод голографической интерферометрии позволяет получить трехмерную картину перемещения точек поверхности, вызванного деформацией материала, и выделить любой компонент пространственного вектора перемещения поверхности в этих точках. При расшифровке голограмм расчеты производились по таблицам, специально рассчитанным на ЭВМ. Метод лазерной интерферометрии дает возможность получить один компонент пространственного вектора перемещения точек поверхности, практически не производя расчетов.
На рис. 4 приведены кривые относительных деформаций образцов штукатурки, взятых из стен Успенского  собора-музея. Относительная деформация представляет собой отношение изменения линейного размера образца Δl в мм к его линейному размеру в абсолютно сухом воздухе (j = 0 %). Из рисунка видно, что наиболее заметное увеличение относительной деформации этого материала (кривые 1, 2) отмечается в интервале влажности воздуха 60–100 % (процессы сорбции). При десорбции влаги штукатуркой, т. е. при усадке материала (кривая 2), наблюдается несколько иная картина: в интервале 80 % < j < 87 % величина не меняется, в диапазоне 60–80 % наблюдается значительное (от 0,58 до 0,49 мм/м) уменьшение ε, которое продолжается до значения влажности j = 40 %, затем снова начинается участок больших приращений ε. Кривые относительных деформаций белого камня имеют подобный, хотя и менее ярко выраженный, характер.

Таким образом, при определении оптимального температурно-влажностного режима помещений памятников искусства и архитектуры необходимо выбрать такие параметры его, при которых процессы разрушения, неизбежно происходящие по мере старения и эксплуатации памятников, минимальны. Из данных, полученных в результате исследования сорбционно-деформативных характеристик строительных материалов соборов-музеев, следует, что одним из путей ограничения интенсивности процессов разрушения материалов является сведение к минимуму деформаций материала. вызываемых поглощением влаги. Из анализа поведения кривых ε = f₁(j) и ωр = f₂(j) для материалов ограждающих конструкций соборов-музеев Московского Кремля (штукатурка, белый камень, красный кирпич) видно, что наиболее благоприятной с этой точки зрения является область 40 % < j < 67 %. Исходя из этого, следует рекомендовать поддерживать в помещении соборов-музеев относительную влажность внутреннего воздуха в указанных пределах.

На основании анализа сорбционно-деформативных характеристик материалов сделан вывод, что для Успенского, Архангельского, Благовещенского соборов-музеев температура внутреннего воздуха должна быть зимой 18 °С и летом не более 20 °С. Относительная влажность внутреннего воздуха должна быть 50 % при возможном отклонении в течение суток на 5 % в сторону увеличения в теплое время года и в сторону уменьшения в холодное время года.