Опыт модернизации системы воздушного отопления для сохранения объекта культурного наследия: Храм Спаса на Крови в Санкт-Петербурге

Р. Г. Аржаников, канд. техн. наук, технический директор ООО «Юникс»

К. В. Беляев, канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр., Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

А. В. Гарбарук, д-р физ.-мат. наук, доцент, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Д. А. Никулин, канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр., Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Г. С. Полунин, начальник отдела реставрации и капитального ремонта, СПб ГБУК «Государственный музей-памятник «Исаакиевский собор»

М. Х. Стрелец, д-р физ.-мат. наук, профессор, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Рис. 1. Храм Спаса на Крови

Введение

Храм Спаса на Крови в Петербурге – мемориальный храм, построенный в память об Александре II. Он выполнен в классическом «русском» стиле (рис. 1). В художественном интерьере храма отсутствуют живописные иконы – только мозаичные изображения и мрамор.

При строительстве в храме была установлена отопительно-вентиляционная система, разработанная в бюро инженера-механика Тимоховича. Она представляла собой паровую систему отопления и вентиляции низкого давления (см. рис. 2). Согласно проекту паровой котел и нагреватели размещались в подвале собора, а дымовая труба выносилась на расстояние более 20 м от храма, чтобы дым не мог испортить позолоту глав храма. Для поддержания горения топлива в паровом котле использовалась электроэнергия с расположенной поблизости электростанции. До момента установки постоянной отопительно-вентиляционной системы, собор отапливался временным паровым отоплением, установленным также Тимоховичем, которое позволило обеспечить безостановочные работы по внутренней отделке в зимнее время. Помимо инженер-механика Тимоховича над устройством отопительно-вентиляционной системы работали Гордеев, Чесноков, Гробов, Нефедов, Оуф, а также инженер Русвурм.

Рис. 2. Котельная паровой системы отопления и вентиляции низкого давления (XVIII век)

Затраты на установку отопительно-вентиляционной системы оставили около 1 % от общей суммы расходов на строительство храма.

До Октябрьской революции службы в храме проводились по большим религиозным праздникам и для поминовения Александра II, а вход был ограничен узким кругом избранных. Ситуация изменилась после Октябрьской революции в годы проведения антирелигиозной политики. Он стал использоваться в качестве складского помещения. Во время войны в храме было размещено отделение морга, а после вновь склад. Только в 1968 году уже в аварийном состоянии он был взят под государственную охрану и в нем начались реставрационные работы. Просушка здания представляла на тот период времени одну из основных задач, для решения которой был реализован комплекс мероприятий и, в частности, смонтирована новая система ВО, которая со своей задачей успешно справилась. Основные реставрационные работы продолжались до открытия храма в качестве музея в 1997 году. С этого момента здание храма начинает эксплуатироваться в новых для него условиях с системой ВО, не соответствующей возникшим реалиям. В частности, в храме имели место сквозняки и заметные перепады температур в отопительный период, а также жара и духота в неотапливаемый период, когда работала только система вентиляции. В связи с этим руководством СПБ ГБУК «ГМП «Исаакиевский собор», в ведении которого находится храм Спаса на Крови, было принято решение о модернизации системы ВО, а по сути, создании новой системы ОВК, обеспечивающей выполнение современных требований для музеев-памятников по поддержанию нормативных значений параметров микроклимата.

Большая историческая ценность здания храма Спаса на Крови, включенного в список всемирного наследия ЮНЕСКО, существенно ограничивает возможности инженеров при проектировании системы ОВК. Исключены любая перепланировка, создание новых отверстий для подачи/забора воздуха, а также использование внутри помещения технологического оборудования изменяющего художественный образ храма (см. рис. 3).

Рис. 3. Мозаичный интерьер, вид на западную стену храма

В такой ситуации возрастает роль расчетно-теоретических исследований по обоснованию технических предложений по модернизации системы ВО. Отметим, что архитектура храма практически исключает возможность использования для этого относительно простых «инженерных» методик. Эти подходы оправданы в случае типовых помещений сравнительно небольшого объема и, очевидно, недостаточно обоснованы для больших сооружений, в частности православных храмов, архитектура которых подразумевает доминирующую вертикальную планировку, способствующую возникновению значительной стратификации параметров микроклимата по высоте.

В подобных случаях следует использовать современный подход, основанный на численном моделировании аэродинамики и процессов теплопереноса в рамках общих уравнений механики жидкости и газа (см., например, обзорную статью [1]). К сожалению, даже для уникальных объектов и исторических зданий данный подход пока не стал общепринятой практикой. Основными причинами этого являются увеличение стоимости и сроков разработки проекта за счет привлечения расчетных исследований, а также отсутствие опыта по организации и проведению подобных работ.

В итоге обоснование проекта проводится с использованием простейших интегральных расчетов, а цели проекта не всегда достигаются, поскольку новая система ОВК при практическом использовании оказывается неспособной поддерживать необходимые значения параметров микроклимата.

Чтобы минимизировать риски возникновения подобных ситуаций при создании системы ОВК храма Спаса на Крови на этапе разработки проекта был проведен большой объем расчетно-теоретических исследований, базирующихся на использовании методов ВГ. Эти исследования показали принципиальную возможность построения современной системы ОВК, не смотря на значительные ограничения, связанные с архитектурными особенностями и режимами эксплуатации здания. В частности, сравнительный анализ позволил выбрать схему распределения воздушных потоков, осуществить подбор характеристик необходимого оборудования для предотвращения возникновения сквозняков и образования холодных воздушных масс в алтарной части в зимний период. Кроме того, было продемонстрировано, что параметры микроклимата в помещении храма обеспечивают сохранность уникального художественного интерьера и комфортные условия для его посетителей. Расчетно-теоретический этап завершился формулированием регламента работы новой системы ОВК. Таким образом, следующий заключительный этап проектирования и технической реализации проекта основывался, в том числе, на результатах расчетно-теоретических исследований.

Авторами настоящей публикации сделана попытка кратко представить, как основные полученные результаты, так и свой опыт организации совместной работы в рамках одного проекта инженерно-технических специалистов и специалистов по ВГ.

Метод исследования

Разработка современных систем ОВК для больших нетиповых помещений, в которых практически невозможно без проведения соответствующих расчетов предсказать структуру воздушных потоков, требует применения относительно универсальных подходов, основанных на использовании методов ВГ.

С точки зрения вычислительных ресурсов эти методы гораздо более затратны, чем, например, инженерные интегральные методы. Однако, они при использовании ограниченной эмпирической информации позволяют рассчитывать в объеме помещения не только интегральные, но и локальные характеристики пространственных воздушных потоков. Последнее делает их особо ценными в случае анализа работы систем ОВК уникальных зданий и объектов и незаменимыми в контексте настоящего исследования.

Практическая реализация подхода осуществлялась на базе использования программного комплекса COOLIT^® [2]. Методология используемого подхода включает в себя в т. ч. необходимость построения компьютерной модели исследуемого объекта. В нашем случае таким объектом является храм Спаса на Крови в Санкт-Петербурге.

Объект исследования

Храм Спаса на Крови в Санкт-Петербурге является большим одиноко стоящим купольным храмом (см. рис. 1). Здание вытянуто по оси восток-запад на 60 м, высота самого высокого купола храма – 81 м, высота колокольни – 62 м, вместимость до 1000 чел., площадь зала 886 м². Здание храма покоится на сплошной бетонной подушке толщиной 1,2 м, с отметкой подошвы 2,5 м от уровня ординара в канале Грибоедова. В интерьере храма использовано мозаичное покрытие, общей площадью 7065 м².

Система ВО храма была запущена в эксплуатацию в 1978 году. В первую очередь она предназначалась для просушки здания. Дело в том, что после закрытия действующего храма Спаса на Крови в 1930 году его здание не имело надлежащего ухода и постепенно разрушалось. Была нарушена гидроизоляция фундамента, пришли в негодность инженерные сети, а художественное убранство требовало проведения реставрационных работ. В 1968 году храм передали в ведение Государственной инспекции по охране памятников и в здании начались ремонтно-восстановительные работы. Просушка здания представляла на тот период времени одну из основных задач, для решения которой был реализован комплекс мероприятий и, в частности, была спроектирована и запущена в эксплуатацию система ВО храма.

Основу системы ВО составляла тепловая установка, размещенная в подвале. Оборудование воздушного отопления занимало практически весь подвал, оставляя узкие проходы для обслуживающего персонала (см. рис. 4). Нагретый воздух подавался по внутрестенным каналам в помещение здания. В алтарной зоне храма из-за отсутствия там каналов в стенах были установлены батареи центрального водяного отопления. В неотапливаемый период система ВО работала в режиме вентиляции.

При относительно большой суммарной производительности системы ВО в 57600 м³/ч для просушки здания потребовалось больше двух лет. Затем начались основные реставрационные работы, которые продолжались до открытия храма в качестве музея в 1997 г. С этого момента времени у здания храма появляется новый особый режим эксплуатации — режим проведения экскурсий. Этот режим длителен (по восемь часов шесть дней в неделю) и характеризуется, как правило, наличием большого числа посетителей (до 800–1000 чел. одновременно).

Рис. 4. Установки системы ВО в подвальном помещении храма

Новый статус здания потребовал в т. ч. выполнения достаточно жестких требований, предъявляемых к значениям параметров микроклимата в музеях-памятниках. К сожалению, система ВО, разработанная для иных условий эксплуатации здания, оказалась неспособной поддержать эти значения параметров микроклимата.

В помещении храма имели место:

• высокая подвижность воздушной среды и заметная неоднородность поля температуры в центральном зале;
  
• сквозняки в зоне входа и выхода посетителей;
  
• низкая температура воздуха (значительно ниже, чем минимальная нормативная температура) в алтарной части здания и центральном зале в отапливаемый период;
  
• духота и нагрев воздуха в объеме помещения здания до температуры, существенно превышающей максимальную нормативную температуру в неотапливаемый период.

Кроме того, в помещении храма отсутствовал постоянный мониторинг параметров микроклимата, а управление работой системы ВО осуществлялась в ручном режиме.

Компьютерная модель

Здание храма Спаса на Крови имеет достаточно сложную планировку с колоннами, иконостасом, окнами, дверями, деталями декора, осветительным оборудованием, элементами системы отопления/вентиляции и т. п. Его точное воспроизведение в компьютерной модели практически невозможно, поэтому в модели, построенной с помощью ПК COOLIT^® [2], основываясь на имеющемся опыте решения подобных задач (см. например, [3, 4]), геометрия здания была несколько упрощена. Это позволило проводить расчеты за разумное для практики время, сохраняя при этом точность, достаточную для адекватного описания исследуемых процессов.

Физические параметры здания храма, а также характеристики систем жизнеобеспечения используются при создании математической модели храма в ВГ-подходе. В качестве модели, описывающей турбулентное смешанно-конвективное течение воздуха и процессы теплопереноса в свободной части помещения храма и в окружающем его воздушном пространстве, в программном комплексе COOLIT^® используются осредненные по Рейнольдсу нестационарные уравнения Навье–Стокса (URANS) и энергии в гипозвуковом приближении.

Для замыкания уравнений Рейнольдса используется однопараметрическая дифференциальная модель турбулентности Спаларта-Аллмараса. Выбор этой модели обусловлен тем, что наряду с вычислительной эффективностью, она обеспечивает высокую точность расчета как пристенных турбулентных потоков, так и потоков с силами плавучести, типичных для кондиционируемых и вентилируемых помещений.

Расчетная область представляет собой прямоугольный параллелепипед, размер ребер которого составляет 110×100×95 м. Нижняя горизонтальная грань расчетной области совпадает с уровнем ординара в канале Грибоедова, а компьютерная модель здания храма размещается на поверхности «земли» на высоте 3,7 м от уровня ординара. Отметим, что температура внешних стен здания не фиксирована, а рассчитывается в рамках сопряженной модели теплообмена между зданием и внешней средой.

Все расчеты выполнены на неравномерной конечно-разностной сетке с числом узлов 285×178×318 по координатам X, Y и Z соответственно. При этом общее число ячеек сетки составляет ~16,1 млн. Следует отметить, что размеры ячеек этой сетки в отдельных частях расчетной области, в частности, в окружающем храм воздушном пространстве достаточно велики (достигают величины 3–4 м), что не гарантирует разрешения всех деталей течения. Однако влияние этих деталей на параметры теплообмена внутри храма, представляющие основной интерес в данной работе, не должно быть существенным. Серия расчетов, в рамках которой менялось количество узлов по пространству, показало, что точность решения, получаемого на данной сетке, достаточна для целей настоящего исследования.

Требования к параметрам микроклимата храма

Сохранение художественного интерьера

Художественный интерьер храма состоит из близких по своему типу материалов. В основном, это мозаичные изображения, выполненные в технике смальты, также присутствуют мрамор и самоцветы. Данные материалы характеризуются низкой чувствительностью к величинам относительной влажности, освещенности и УФ-излучения. Современные требования для музеев по обеспечению сохранности такого типа художественного интерьера состоят в поддержании стабильного режима с параметрами внутреннего воздуха в диапазоне температур 20 °C ± 2 °C и подвижности 0,15–0,2 м/с (см. [5]).

Обеспечение комфортных условий для посетителей

Важным требованием к параметрам микроклимата является обеспечение во время проведения экскурсий комфортных условий для посетителей храма. Для этих целей, в том числе, необходимо иметь высокую кратность воздухообмена (не менее 30 м³/ч на одного человека). Это позволит провести удаление теплоизбытков, а также поддержание необходимых значений уровня СО₂ и относительной влажности. При этом необходимо обеспечить перемешивание воздуха по всему объему помещения и исключить как возникновение застойных зон, так и сквозняков.
Анализ параметров микроклимата проводится на основе сопоставления расчетных пространственных полей температуры и скорости с привлечением распределения показателя комфортности PMV (PPD) и критериев локального теплового комфорта DR (недовольных наличием сквозняка) и PD (недовольных вертикальным градиентом температуры) в рабочей зоне.

В настоящей работе при расчете полей показателя комфортности PMV (PPD) приняты значения теплопродукции человека M = 93 Вт/м² и термического сопротивления одежды 1,5 Clo, что соответствует теплопродукции стоящего человека при легкой двигательной активности одетого в европейский деловой костюм.

Расчетно-теоретический этап

Исполнителем расчетно-теоретического этапа являлся Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, работа была выполнена сотрудниками лаборатории «Вычислительная гидроаэроакустика и турбулентность».
В рамках данного этапа проводился анализ причин неудовлетворительной работы системы ВО, а также выбор наиболее эффективных научно обоснованных технических решений позволяющих избежать аналогичных ситуаций при работе новой системы ОВК. На основе проведенных исследований была построена компьютерная модель храма, с использованием которой проводился расчет параметров микроклимата для летних и зимних погодных условий и различных режимов эксплуатации здания. Полученные данные позволили сформулировать регламент работы системы ОВК.

Организация воздухообмена в помещении. Схема распределения вентиляционных потоков

При проектировании систем вентиляции в больших помещениях выбор схемы распределения воздушных потоков представляет собой сложную задачу, решение которой во многом определяет эффективность ее работы (см., например [6]).

В храме Спаса на Крови существует сеть внутристенных вентиляционных каналов, которые по расположению выходных вентиляционных решеток условно делятся на две группы. А именно, в центральном зале 10 каналов имеют выходы в помещение в подоконниках окон на высоте ~7 м от пола первого этажа и 10 – в полу или на высоте 0,5 м от пола (см. рис. 5). Отметим, что в непосредственной близости от напольных вентиляционных решеток организовано перемещение посетителей во время экскурсий.

Рис. 5. План храма Спаса на Крови. Прямоугольники красного цвета – вентиляционные решетки напольные, голубого – в подоконниках окон первого этажа. Стрелки – направление движение воздуха на вентиляционной решетке соответствующего цвета. Пунктир – YZ-сечение «север-юг». Закрашенная часть площади зала – зоны прохода посетителей: 1, 2 – у входа и выхода соответственно, 3, 4 – вдоль северной и южной стен соответственно, 5 – вдоль иконостаса

В старой системе ВО приток и забор воздуха в помещение храма происходил по внутристенным каналам на северной и южной стенах следующим образом. По каналам в центральной части стены – приток, а по краям – забор. Как показали численные исследования и натурные измерения, подобное чередование каналов притока и забора воздуха приводит к возникновению крупномасштабных циркуляционных течений в объеме помещения храма и как следствие к существенной неравномерности полей температуры и высокой подвижности воздуха у пола в рабочей зоне.

В новой системе ОВК инженеры предложили разнести подачу и забор воздуха по высоте, то есть привязать их к каналам одной группы. Окончательный выбор схемы распределения потоков был сделан на основании результатов численного моделирования.

Выполнение нормативов по кратности воздухообмена определяет величину суммарного расхода воздуха в новой системе ОВК, который должен быть не меньше 25 000 м³/ч воздуха. Как показали расчеты подача таких объемов через напольные решетки приведет к тому, что во время экскурсий посетители будут находиться в области высокой подвижности воздушной среды и значительных вертикальных перепадов температур. Иллюстрацией сказанного служит рис. 6, на котором представлено типичное распределение по вертикали температуры и модуля скорости в центральной части зоны прохода посетителей для двух вариантов подачи воздуха в помещение через «напольные» и через «верхние» вентиляционные решетки. В первом случае значения показателей локального дискомфорта от сквозняков (DR) и от распределения температуры по вертикали (PD) достигают 35 % и 45 % недовольных от общего числа посетителей соответственно. Во втором случае, значения показателей существенно меньше DR – 9–12 %, а PD – 1–2 %. Кроме того, в рабочей зоне центрального зала подвижность воздушной среды и перепады температур соответствовали нормативным значениям.

Рис. 6. Мгновенное распределение температуры (верх) и модуля скорости (низ) по вертикали. Вертикальная ось расположена в сечении «север-юг» на расстоянии 2,5 м. от северной стены (см. рис. 5). Температура наружного воздуха +25 ºС (красный цвет линий), –15 ºС (черный цвет). Пунктир – подача воздуха через напольные решетки, сплошные линии – через решетки в подоконниках окон первого этажа.

В итоге было принято решение, что в новой системе ОВК в центральную часть помещения храма, где проводятся экскурсии, воздух поступает через решетки, расположенные в подоконниках окон первого этажа, а забор на рециркуляцию происходит через напольные решетки.

Микроклимат в центральном зале

В отопительный период года, в центральном зале наблюдается устойчивое перемещение относительно холодных воздушных масс по направлению от иконостаса к западной стене храма, которое вызывает дискомфорт у посетителей. Как показали расчеты, причина возникновения этого течения связана с накоплением относительно холодных масс воздуха в алтарной части помещения (см. рис. 7), которое происходит за счет опускных течений, образующихся у оконных проемов на восточной стене храма. Для того чтобы исключить перемещение воздушных масс было предложено увеличить мощности нагревательных приборов, находящихся за иконостасом. Воздух за иконостасом нагреется, и будет подниматься к потолку храма (см. рис. 8). Расчетные исследования подтвердили существенное улучшение параметров микроклимата в центральном зале в этом случае, и с их помощью была определена необходимая минимальная мощность нагревателей. К сожалению, относительно простое и эффективное решение – организовать забор воздуха из алтарной части, как, например, это сделано в храме Рождества Христова на Пискаревском проспекте в Петербурге (см. [3]), невозможно в данном случае из-за упомянутых во введении ограничений.

Рис. 7. Вид на иконостас и алтарную часть храма из зоны центрального барабана

Рис. 8. Поля температуры и вектора скорости в плоскости симметрии храма XY (представлено пересечение с частью центрального зала и алтарной зоной), температура окружающего воздуха t = –15 °С (слева вариант при наличии обогревателей в алтарной части, справа – при отсутствии)

Сквозняки

При разработке системы ОВК храма нельзя было обойти проблему сквозняков. Во время проведения экскурсий посетители проходят в храм и выходят из него через входные и выходные двери, расположенные у западной стены друг напротив друга (см. рис. 5). При открывании дверей воздушные потоки в помещении будут формироваться, в том числе, под действием перепада давления снаружи и внутри храма. Наиболее сильное движение воздуха внутри храма возникает вдоль его западной стены при одновременном открытии входных и выходных дверей. При работе старой системы ВО, в которой существование подобных режимов практически не учитывалось, процент недовольных из-за сквозняков превышает 60 %. Кроме того, в этом случае в зависимости от погодных условий поступление наружного воздуха может существенно (на 3–5 ºС) изменить уровень температуры в рабочей зоне в центральном зале.

Для создания воздушной преграды между воздухом внутри и снаружи помещения инженеры предложили установить на входе и выходе воздушно-тепловые завесы. Проведенные расчеты показали, что завесы не только предупреждают проникновение наружного воздуха в холодный период в помещение храма и предотвращают появление сквозняков, но и эффективно препятствуют вытеканию относительно холодного воздуха из помещения через дверные проемы в летний период.

Параметрическое исследование

Расчетный этап исследований завершился построением компьютерной модели храма, в которой были учтены инженерные решения по организации воздухообмена, и проведением серийных расчетов. Рассматривались зимние и летние погодные условия характерные для Петербурга и два режима эксплуатации здания при закрытых и открытых наружных дверях (режим проведения экскурсий) для различных вариантов заполнения зала посетителями.

Качество микроклимата оценивалось по значениям процента недовольных в рабочей зоне тепловыми условиями PPD, наличием сквозняков DR и распределения температуры по вертикали PD, а также по соответствию температуры и подвижности воздушной среды в помещении храма нормативным диапазонам температур и подвижности.

Для примера, в табл. 1 представлены значения параметров микроклимата при сравнительно экстремальных холодных и жарких погодных условиях для Санкт-Петербурга (обеспеченностью 0,98) и режиме проведения экскурсий при заполнении зала 800 чел. Процент недовольных тепловыми условиями в этих случаях не превышает 10 %, сквозняками – 16 %, вертикальным градиентом температуры – 2 %. Полученные данные свидетельствуют о том, что микроклимат в этом случае вполне комфортный, соответствующий термальной среде категории «В» (см. [7]).

Таблица 1
Результаты расчетов осредненных по площади зон процента недовольных тепловыми условиями (PPD), наличием сквозняков (DR), вертикальным градиентом температуры (PD) при температурах наружного воздуха 25 ºС и –15 ºС (положение зон на плане см. рис. 5)

На рис. 9 для этих вариантов представлены распределения векторов скорости и поля температуры в вертикальном сечении, проходящем через середины северной и южной стен (сечение «север-юг», пунктир на рис. 5). Этот рисунок, в частности, демонстрирует, что новая система ОВК обеспечивает необходимую нормативную однородности поля температуры практически по всей высоте помещения храма.

Рис. 9. Мгновенные поля температуры и векторы скорости в вертикальном сечении «север-юг»: температура наружного воздуха 25 °С (а), –15 °С (б)

Расчетно-теоретический этап завершился формулированием регламента работы новой системы ОВК. А именно, характеристикам наружного воздуха и режима эксплуатации здания было найдено соответствие значений температуры и расхода подаваемого воздуха, обеспечивающие нахождение параметров микроклимата в помещении храма внутри диапазона нормативных значений.

Техническая реализация

Генеральным проектировщиком и подрядчиком по всем инженерным работам по созданию системы ОВК храма являлась компания «Юникс» (Санкт-Петербург), большой вклад в разработку системы внес инженер-проектировщик Ю. О. Бардадым.

Система ОВК храма

Новая система ОВК обеспечивает комфортное пребывание в помещении храма 800 чел., а при пиковой нагрузке до 1000 чел. Ее основу составляют четыре одинаковые приточно-рециркуляционные установки, размещенные в подвале храма (см. рис. 10).

Рис. 10. Установки системы ОВК в подвальном помещении храма

В режиме нагрева подаваемого воздуха используются три установки, одна в резерве. В режиме охлаждения две установки работают совместно с адиабатическими испарительными машинами воздушного охлаждения, две установки – в резерве. Используемый подход резервирования установок позволил не только увеличить надежность системы в целом, но и дал возможность проводить техническое обслуживание механизмов без прерывания штатного режима работы.

Остановимся подробнее на технической реализации нового для храма режима – режима кондиционирования в неотопительный период. Поскольку обычная приточная вентиляция в солнечную жаркую погоду при большом количестве посетителей не способна обеспечить требуемый отвод тепла, то для создания комфортных условий в центральном зале необходима подача соответствующих объемов относительно холодного воздуха. Для его подготовки используются центральные кондиционеры, построенные на базе приточно-рециркуляционных установок.

Источником холода являются холодильные машины воздушного охлаждения, с дополнительной адиабатической системой охлаждения. Использование для этих целей наружных конденсаторов невозможно по ограничениям на сохранение художественного облика здания храма, а характеристики холодильных машин только с воздушным охлаждением превышают имеющиеся лимиты по электроэнергии и пропускной способности воздуховодов. В такой ситуации холодильные машины воздушного охлаждения с адиабатической системой охлаждения явились практически единственно возможным вариантом решения поставленной задачи. Они соответствовали имеющимся лимитам на электроэнергию и количеству потребляемого воздуха, а имеющиеся в храме ресурсы по расходам холодной воды значительно превышают их потребности.

Особенность работы адиабатической системы охлаждения, в частности, состоит в наличии режима периодической промывки, который сопровождается одномоментным сбросом имеющейся в машине воды (около 200 л.). Слив должен происходить относительно быстро, встроенная автоматика контролирует время и при его превышении останавливает машину. Для решения этой задачи было увеличено сечение сливной трассы, и чтобы в этом случае не переполнялись канализационные стоки, отвод воды осуществляется в дренажные приямки большого объема, сделанные в храме для откачки воды при наводнениях. После залпового слива вода постепенно удаляется из приямка дренажным насосом.

Воздушные завесы

Для борьбы со сквозняками на входных и выходных дверях храма установлены воздушные тепловые завесы фирмы Teddington. Тепловые завесы работают автономно по датчикам движения и температуры в тамбурах. Их обслуживает отдельный тепловой центр, работающий на пропиленгликолевом теплоносителе.

Входная зона защищается тройной завесой, состоящей из двух вертикальных завес высотой 1,5 метра установленных на полу и одной горизонтальной над дверным проемом (см. рис. 12). Такая конфигурация завес надежно перекрывает поступление наружного воздуха в храм по всей площади дверного проема, как в его нижней, так и в верхней частях.
Выход из храма возможен через две двери, одна из них расположена на южной стене храма, вторая на западной. В зависимости от дневного преимущественного направления ветра для посетителей открывают только одну дверь на той стороне храма, где напор воздуха меньше. Такой прием позволяет ограничиться установкой только горизонтальных завес над выходными дверными проемами.

Контроль параметров микроклимата и автоматизация системы ОВК

Для управления системой ОВК храма разработана оригинальная система автоматизации и диспетчеризации, построенная на оборудовании компании Sauter (серия Modulo 5). Система осуществляет контроль основных параметров инженерных систем и мониторинг параметров микроклимата воздушной среды, по значениям которых (временным трендам) вырабатываются команды управления проточно-рециркуляционными вентиляционными машинами и конвекторами в алтаре с целью поддержания комфортных условий в помещении храма.

Рис. 11. Горизонтальные и вертикальные воздушно-тепловые завесы на входе (а–в) и на выходе (г)

Реализован распределенный принцип управления, в котором каждый исполнительный механизм системы ОВК управляется отдельным работающим независимо от других контроллером (см. рис. 12), при этом, даже выход из строя любого контроллера не сказывается на работе остальных.

В систему автоматизации и диспетчеризации входят автоматизированные рабочие места (АРМ) оператора работающие в режиме реального времени. На мнемосхемах АРМ оператора представлена информация по контролю и управлению технологическими процессами. В частности, отображаются значения физических параметров теплоносителя и холодоносителя установок, выполненные команды управления исполнительными механизмами, положение приводов регулирующих устройств, значения перепадов давления на насосах и вентиляторах. Ведется также контроль срабатывания пусковой аппаратуры и протоколирование аварийных событий технологических процессов. У системы существует возможность переводить автоматику в ручной режим работы и включать/отключать, изменять режимы работы установок с локального щита управления.

Рис. 12. Щит управления одной из приточно-вытяжных установок

Контроллеры и АРМ оператора работают в общей сети Ethernet храма в выделенной виртуальной подсети BACnet. При выходе из строя АРМ оператора установки продолжают работать в последнем заданном режиме.

Мониторинг температуры и относительной влажности воздуха осуществляется в одиннадцати доступных для монтажа датчиков точках помещения храма. А именно, четыре датчика размещены на высоте второго яруса окон по углам центрального зала, по два датчика – на перилах главного барабана, в алтарной части у подоконников окон и над дверными входными и выходными проемами, один датчик у входа в подвальное помещение с восточной стороны. Контролируются также температура приточного (на уровне окон первого яруса) и рециркуляционного воздуха (на уровне пола). Значения параметров состояния воздушной среды сохраняются в архиве в табличном виде и доступны к просмотру в виде графиков.

Результаты мониторинга показаний температуры и влажности в помещении храма позволяют сделать обоснованный вывод о том, что новая система ОВК успешно справляется со своими задачами вне зависимости от режима эксплуатации здания и времени года. Для примера на рис. 13 представлен скриншот монитора АРМ оператора, с показаниями размещенных в храме датчиков в летний относительно жаркий для Санкт-Петербурга день (температура наружного воздуха 28 ºС). В храме находятся посетители и проводятся экскурсии. Из показаний датчиков следует, что система кондиционирования и воздушные завесы обеспечивают практическое термостатирование воздушной среды в объеме помещения храма. Отметим, что температура воздушной среды находится в нормативном диапазоне, а ее изменения не превышают 1,1 ºС.

Небольшое превышение температуры (на 1,6 ºС) по сравнению с максимальной температурой из нормативного диапазона имеет место только в самой верхней части в зоне ограниченной основным барабаном на высоте около 33 м над уровнем пола. Эта сравнительно небольшая часть объема из-за большого остекления барабана значительнее всего нагревается солнечным излучением и куда по очевидным причинам труднее всего обеспечить поступление относительно тяжелого холодного воздуха.

Рис. 13. Мгновенные показания датчиков газового анализа и места их установки на плане храма (скриншот монитора АРМ-оператора)

Выводы

В здании храма Спаса на Крови в Петербурге в период с 2016 по 2019 год проводился комплекс работ по модернизации системы тепловоздушного отопления. С 2019 года новая система ОВК храма работает в штатном режиме.

На начальном этапе проектирования системы ОВК был проведен большой объем расчетов динамических характеристик и параметров микроклимата в помещении храма, базирующихся на использовании методов ВГ.
Анализ полученных результатов показал, что:

• при проектировании систем ОВК больших храмов необходимо обеспечить как сохранность уникального художественного интерьера, так и комфортные условия для его посетителей. Для решения этой задачи следует использовать подходы, основанные на методах ВГ;
  
• в осенне-зимний период в алтарной части храма за счет опускных течений возможно накопление значительных объемов холодного воздуха, перемещение которых в центральный зал приводит к снижению там качества микроклимата;
  
• установка в зонах входа и выхода горизонтальных и вертикальных воздушно-тепловых завес, существенно снижает риск возникновения сквозняков. Кроме того, наличие завес затрудняет вытекание относительно холодного воздуха из помещений храма в летний период при работе системы в режиме кондиционирования;
  
• схема распределения воздушных потоков, при которой подача воздуха осуществляется через вентиляционные решетки, расположенные на высоте ~7 м, а удаление через решетки у пола оказалась наиболее удачной для помещения храма Спаса на Крови как с точки зрения обеспечения однородности температуры воздуха в объеме, так и низкой подвижности воздуха у пола в рабочей зоне.

Расчетные исследования проводились в тесном контакте с инженерно-техническими специалистами, которые выполняли заключительный этап проектирования и технической реализации проекта, что позволило существенно повысить качество получаемой системы.

Мониторинг параметров микроклимата в помещении храма свидетельствует о том, что новая система ОВК обеспечивает выполнение современных требований для музеев-памятников по поддержанию нормативных значений параметров микроклимата и тем самым способствует как сохранению уникального художественного интерьера храма, так и созданию комфортных условий для его посетителей.

Совместная работа инженерно-технических специалистов и специалистов по ВГ позволила успешно выполнить уникальный проект по модернизации системы ОВК объекта культурного наследия.

Благодарности

В заключение авторы считают своим приятным долгом выразить благодарность заместителю директора СПБ ГБУК «ГМП «Исаакиевский собор» Борису Даниловичу Подольскому, которому принадлежит идея этой работы, за его поддержку на всех этапах выполнения данного проекта и плодотворное обсуждение полученных результатов.

Литература

1. Grau-Bové J., Mazzei L., Strlic M., et al. Fluid simulations in heritage science // Heritage Science. 2019; 7(16). – DOI:10.1186/s40494-019-0259-9.
   
2. Daat Research Corp. Attn: Human Resources P.O. Box 5484. Hanover, NH 03755-5484 USA. – URL: https://daat.com.
   
3. Беляев К. В., Гарбарук А. В. и др. Опыт оптимизации воздухораспределения и параметров микроклимата в православном храме // АВОК. – 2021. – № 7. – С. 60–64.
   
4. Никулин Д. А., Стрелец М. Х., Чумаков Ю. С. Результаты компьютерного моделирования аэродинамики и температурного состояния интерьера Исаакиевского собора. Кафедра IV. Материалы научно-практической конференции «Исаакиевский собор между прошлым и будущим». – СПб.: 2008. – С. 404–424.
   
5. СТО НП «АВОК» 7.7-2020 «Музеи. Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха». – М.: АВОК-ПРЕСС, 2020.
   
6. Int-Hout D., Kloostra L. Распределение воздуха в больших помещениях. – АВОК. – 2012. – №1. – С. 42–48.
   
7. ГОСТ Р ИСО 7730-2009 «Аналитическое определение и интерпретация комфортности теплового режима с использованием расчета показателей PMV и PPD и критериев локального теплового комфорта. – М.: Стандартинформ, 2010.