Отопление соборов — практика альтернативных решений

М. М. Бродач, канд. техн. наук, доцент МАрхИ

Перед коллективом специалистов, включающем архитекторов, реставраторов, конструкторов и специалистов по климатизации здания, возникает задача выбора оптимальной системы отопления, которая бы обеспечивала требуемые условия по микроклимату, экономное расходование энергии, давала бы возможность избежать значительных разрушений при создании системы и в процессе эксплуатации не приводила бы к возникновению влажностных и температурных деформаций ограждающих конструкций, декоративной отделки, настенных росписей и предметов богослужения.

В ряде случаев специалисты приходят к выводу о целесообразности применения комбинированных систем отопления, включающих в себя достоинства систем лучистого и систем конвективного отопления и минимизирующих известные недостатки этих систем.

В действительности проектирование систем отопления для соборов и церквей связано с принятием множества компромиссов. В некоторых особых случаях лучше отказаться от установки современных систем отопления, если это повлечет за собой изменение архитектурного облика здания. Необходимо также помнить следующее: каждое историческое здание является уникальным объектом, и система отопления, хорошо зарекомендовавшая себя в одном здании, может оказаться неприемлемой для другого.

Системы лучистого отопления

Архитектурной особенностью соборов и церквей является высокое внутреннее пространство, которое оказывает существенное влияние на формирование внутреннего температурно-воздушного режима. Бытует мнение, что при применении конвективных систем отопления неизбежно возникает температурная стратификация объекта, при этом температура и влагосодержание верхней части собора оказывается выше, чем в обслуживаемой зоне. Таким образом, будет иметь место перерасход энергии на отопление храма (Исследования, проведенные в соборах Московского Кремля, не подтверждают в полной мере этого обстоятельства. Температура воздуха по высоте собора оказывается достаточно равномерной, и ее повышение имеет место в узком слое воздуха под верхними сводами и в пространстве барабанов. Последнее обстоятельство связано с тем, что термическое сопротивление стенок барабанов существенно ниже термического сопротивления стен здания [1].).

При применении системы лучистого отопления стратификация температуры во внутреннем объеме собора не имеет места, затраты энергии на обогрев минимальны и обеспечивается максимальный акустический комфорт. Следует также помнить, что при использовании системы лучистого отопления температура внутреннего воздуха может быть понижена, и это обеспечивает более комфортные условия для прихожан.

Первая задача, которая имеет место при устройстве системы лучистого отопления с помощью низкотемпературных напольных панелей, состоит в определении участков установки напольных нагревательных панелей. Следующей задачей является проектирование системы лучистого отопления. Наибольшие сложности здесь связаны с определением толщины теплоизоляции слоев конструкции, расположенных выше и ниже нагревательных элементов. Это трехмерная задача со многими взаимозависимыми характеристиками. Успех ее решения зависит от обоснованности выбора целевой функции оптимизации. При проектировании конструкции пола определенную сложность имеет задача определения нагрузки на конструкцию пола при наибольшей заполняемости храма. В соответствии с практикой заполняемости католических храмов прихожанами реальная нагрузка на конструкции пола может достигать 500 кг на м². На это значение и следует ориентироваться.

В прошлом системы лучистого отопления на основе низкотемпературных греющих панелей выполнялись из стальных труб, проложенных в конструкции пола, по которым циркулировал теплоноситель.

Рисунок 1 Собор Сан Марко был заложен в 1278 году. Покрытие полов полностью реконструировано в 1976 году. При реконструкции в полах были устроены отопительные излучающие панели Рисунок 2 План-схема напольного отопления собора Сан Марко. Бетонной стяжкой залиты отопительные змеевики из высококачественной стали – это девять условных панелей из змеевиков одинаковой длины   (подробнее)

Типичным примером системы лучистого отопления на основе греющего пола является отопительная система собора Сан Марко в итальянском городе Порденоне [2], где в 1970-х годах при реконструкции покрытия полов была произведена укладка отопительных змеевиков из высококачественной стали. Сечение греющих труб выбрали небольшого диаметра порядка 0,5 дюйма, именно из такой трубы легче делать гнутые сегменты, да и сам материал довольно легок в работе в силу своей однородности. Перед укладкой и заливкой бетонной стяжки все змеевики испытывали на герметичность под давлением до 50 бар. Кроме того, отопительная система была условно разбита на отдельные панели – участки площадью до 25 м², между которыми при заливке бетона по границе укладывалась деревянная рейка, которую по завершении работ вынимали. Тем же способом оставлялись зазоры между панелями и стенами или иными конструкциями. Смысл в том, чтобы предотвратить растрескивание полов либо их деформацию, т. е. обеспечить возможность беспрепятственного температурного расширения греющих змеевиков, для чего и требуется раздельная бетонная заливка, при которой каждый из рабочих участков не соприкасается с соседними и не производит на них деформирующего воздействия. Технология, использованная в соборе Сан Марко, заслуживает самых лестных отзывов, и, по сути, она предвосхитила методику, применяемую ныне при работе с полиэтиленовыми трубами.

Фундаментальной характеристикой системы панельно-лучистого отопления с помощью напольных низко- и среднетемпературных панелей является устройство системы автоматического контроля и регулирования их температурного режима. Конечной задачей является обеспечение температуры поверхности пола на уровне не выше 29 °С. Эта величина температуры является функцией температуры теплоносителя в конструкции замоноличенного змеевика труб или температуры греющего электрического кабеля, расстояние между трубами или шагом кабеля, теплозащитными показателями конструкции пола, расположенными выше и ниже греющей системы. Эти показатели рассчитываются на стадии проектирования при нормативном значении температуры поверхности пола с учетом лучистого и конвективного теплообмена поверхности пола и при заданном значении температуры наружного воздуха. Эта задача является простой по сравнению с задачей регулирования системы отопления в зависимости от эксплуатационного режима храма, т. е. задачей определения статических и динамических характеристик системы отопления здания с учетом его заполнения и внутренних тепло- и влаговыделений.

По этой же причине серьезнейшим образом следует отнестись к этапу непосредственного запуска системы, главное здесь – тщательная регулировка максимальной температуры воды на входе в змеевики. При условии корректной настройки отдельных элементов система в целом будет полностью и надежно защищена от возможных ошибок терморегуляции.

И, наконец, еще один немаловажный аспект — режим эксплуатации. В этом смысле система лучистого отопления – это своего рода антитеза: с одной стороны, мы имеем максимальный комфорт без необходимости перерасхода энергии на отопление верхней зоны церкви, с другой – существенную тепловую инерцию и невозможность подавать тепло по определенному графику, например, по фактическому расписанию богослужений. Таким образом, весьма неплохие экономические показатели, обусловленные рационализацией распределения тепла в помещении, явно контрастируют с необходимостью непрерывной работы системы на протяжении всего отопительного сезона.

Церковь Рождества Богородицы в итальянском городе Кальчинателло

Рисунок 3. (подробнее) Церковь Рождества Богородицы построена примерно в 1300 году. Последние реставрационные работы проводились в 2002 году. Тогда и была установлена новая комбинированная система отопления. Базовое отопление обеспечивает теплый пол, поддерживающий температуру воздуха в помещении на уровне 16–17 °С. Во время богослужений включается система конвективного отопления с программным управлением, которая обеспечивает температуру воздуха на уровне 20 °С Рисунок 4. (подробнее) План-схема церкви Рождества Богородицы: центральный неф, оба боковых придела и ризница отапливаются системой теплых полов, комбинированной с системой низкотемпературного конвективного отопления

Комбинированные системы лучистого и конвективного отопления

Интереснейшим примером комбинированной системы лучистого и конвективного отопления является система приходской церкви Рождества Богородицы в г. Кальчинателло (Италия) [2]. Здесь были проведены работы по полной реконструкции объекта, в ходе которых был демонтирован теплогенератор, обеспечивающий подачу теплого воздуха, и была установлена новая комбинированная система отопления на основе системы лучистого отопления с помощью низкотемпературных напольных панелей и системы конвективного отопления вентиляторными конвекторами.

Отопление на основе греющего пола, выгодно отличающееся характеристиками обеспечиваемого комфорта, отсутствием стратификации тепла по вертикали и ограниченной шумностью, в данном случае предназначено для постоянного поддержания в помещении церкви базовой температуры порядка 16 °С безо всяких ограничений по расписанию богослужений.

Таким образом, данная церковь, будучи постоянно отапливаемой в зимний период, открыта для посещения большую часть дня и обеспечивает прихожанам тепло и покой. Художественным ценностям и произведениям искусства не наносится ущерб низкой относительной влажностью воздуха. Это происходит потому, что заданная температура в обслуживаемой зоне храма, равная 16 °С, обеспечивается за счет системы лучистого отопления при расчетной температуре внутреннего воздуха 14 °С и, следовательно, относительная влажность воздуха имеет более высокое значение, чем при использовании системы конвективного отопления.

В этих условиях, несмотря на то что система работает в непрерывном режиме, эксплуатационные расходы весьма невелики, а дополнительная система конвективного отопления обеспечивает быстрый выход на заданный уровень температуры, равный 18—20 °С, в соответствии с графиком проведения богослужений. Запрограммированные в соответствующем семидневном режиме таймеры терморегуляции с программным управлением включают по расписанию вентиляторные конвекторы, которые в считанные минуты доводят температуру помещения до требуемого уровня.

Приоритет по конструированию и применению на практике, на основании идеи профессора В. М. Чаплина, системы отопления с заделкой стальных труб в толщу стен, потолков и полов, а также колонн, пилястр и даже лестничных перил и балясин (Саратов, 1905) принадлежит русскому инженеру В. А. Яхимовичу [3]. Эта система была названа им панельным отоплением (английский патент 1907 года). За короткий срок (1907–1911 гг.) по проектам инженера Яхимовича такими системами отопления были оборудованы свыше 20 крупных больничных, школьных и общественных зданий в Поволжье. В качестве теплоносителя в этих системах использовалась горячая вода и пар.

В том же 1907 году английский инженер Баркер получил патент на устройство систем отопления с плоскими нагревательными поверхностями. В дальнейшем, в конце 1920-х годов, подобные системы панельного отопления получили распространение в зарубежной практике под названием «системы лучистого отопления».

Заключение

Выше обсуждались вопросы применения различных систем отопления на примере католических храмов. Учитывая уникальность сооружений, каждый опыт реконструкции систем отопления представляет большой интерес для специалистов. Вместе с тем необходимо помнить, что в большинстве случаев реконструкция или устройство системы климатизации храма включает в себя устройство не только системы отопления, но, что является наиболее важным, устройство системы вентиляции или кондиционирования воздуха. Необходимо иметь в виду, что выбор типа и конструктивных решений систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха должен производиться с учетом объемно-планировочных и архитектурных особенностей храма, режима его эксплуатации, климатического района расположения, наличия источников тепло-, энергоснабжения. Для реставрируемых и реконструируемых храмов возможно использовать существующие отопительно-вентиляционные системы.

Системы отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха должны обеспечивать комфортный (благоприятный) режим для прихожан, долговременную сохранность как конструкций и росписи самого храма, так и произведений станковой живописи, а также максимально сокращать поступление с приточным воздухом агрессивных газов и пыли и не создавать высокой подвижности воздуха и колебаний тепловлажностного режима у поверхностей росписи храма и станковой живописи.

Храмы круглогодичного действия должны быть оборудованы системами центрального или местного отопления и системами естественной вентиляции, а по результатам расчета тепловлажностного режима – механическими системами вытяжной, приточной, приточно-вытяжной вентиляции, приточной вентиляции, совмещенной с воздушным отоплением, или системами кондиционирования воздуха.

	Рисунок 5. (подробнее) Работы на объекте: подготовка полов, укладка изолирующего и отражающего слоя на цементную подушку, устройство термических швов
	Рисунок 6. (подробнее) Отопительный змеевик из многослойных полиэтиленовых труб уложен на изолирующий и теплоотражающий слой

При устройстве систем кондиционирования воздуха в древних храмах, представляющих архитектурную и историко-культурную ценность, рекомендуется предусматривать реабилитационный период (1–2 года), в течение которого обеспечивается постепенное достижение нормируемых допустимых (оптимальных) параметров воздуха. Это необходимо для того, чтобы избежать возникновения влажностных и температурных деформаций, приводящих к разрушению станковой живописи, настенных росписей, декоративной отделки и предметов богослужения, долгое время существовавших в иных температурно-влажностных условиях.

Особо ценные предметы внутреннего убранства (древние иконы, реликвии и т. д.) следует защищать локально, например, помещая их в «музейные витрины», в которых поддерживаются постоянные во времени параметры воздуха (t = 18 °C и f = 55 %).

В настоящее время закончен пересмотр cтандарта НП «АВОК» «Храмы православные. Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха» (2002) [4], в котором сформулированы основные положения по проектированию систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и по выбору теплотехнических характеристик ограждающих конструкций во вновь возводимых, реставрируемых и реконструируемых православных храмах.

Рисунок 7. (подробнее) Интерьер церкви после реконструкции

Литература

1. Кронфельд Я. Г. Принципы устройства систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, тепло- и холодоснабжения в зданиях культовой архитектуры // АВОК. 2000. № 1.

2. V. Bearzi. Luoghi di culto. Impianti Radianti o Misti? // RCI. Febraio. 2003.

3. Сканави А. Н., Махов Л. М. Отопление. М.: АСВ, 2002.

4. Стандарт НП «АВОК». Храмы православные. Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха. № 2. 2002.

Тел. (095) 921-80-48