CC BY
20
Тепловой и влажностный режимы объекта историко-архитектурного наследия в Санкт-Петербурге
И.В. Федорова
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
Аннотация: Выполнено исследование работы системы водяного отопления Нарышкина бастиона Петропавловской крепости. Представлены результаты замеров температуры и относительной влажности внутреннего воздуха. По результатам исследований построена трехмерная модель помещения № 3 Нарышкина бастиона, использованная при проведении численного моделирования с помощью гидродинамического вычислительного комплекса STAR-CCM+. Даны рекомендации по улучшению тепло-влажностного режима, выявлены перспективы дальнейшего исследования объекта.
Ключевые слова: объект историко-архитектурного наследия, параметры микроклимата, система водяного отопления, тепловой режим, STAR-CCM+.
В процессе приспособления объектов историко-архитектурного наследия под нужды музеев необходим индивидуальный подход к проектированию систем климатизации, способных поддерживать требуемые параметры микроклимата для обеспечения сохранности объектов искусства [1].
Вопросы определения оптимальных значений температуры и относительной влажности внутреннего воздуха, а также допустимых колебаний параметров микроклимата музейных помещений являются предметом дискуссий в научной среде [2].
Согласно опыту итальянских исследователей, большинство экспонатов требует значений относительной влажности внутреннего воздуха (фв) 40-60 % и температуры внутреннего воздуха - 19-24 °С. Отмечается, что, кроме абсолютных обязательных рамочных показателей, очень важно не допускать колебаний параметров внутри интервала. Так, максимальный диапазон дневного колебания температур должен составлять Д£в = 1,5 °С, а относительной влажности - Дфв = 2-6 % [3]. Разнообразие предметов, входящих в музейные коллекции, усложняет точное определение диапазонов
предельно допустимых значений и оптимальных параметров. В США приняты следующие допустимые значения параметров воздуха: tB = 21-24 °С и фв = 55-60 %; в Германии, соответственно, 19-21 °С, 50-55 %; по данным ЮНЕСКО - 16-18 °С и 55-61 % [4].
В статье польских ученых [5] имеется ссылка на предлагаемые диапазоны температуры и влажности для польских музеев: ^ = 14-18 °С, фв = 50-65 % - для бумаги и гравюр; tE = 14-18 °С, фв = 55 ± 5 % - для дерева; tE = 16-18 °С; фв = 55 ± 5 % - для живописи [6].
В 2020 г. был разработан Стандарт АВОК 7.7-2020 «Музеи. Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха», согласно которому оптимальными параметрами внутреннего воздуха экспозиционных залов являются следующие: ts = 19-21 °С, фв = 50-55 %, подвижность воздуха -0,15-0,20 м/с.
В настоящей статье предлагается анализ теплового режима на уникальном фортификационном объекте - в Петропавловской крепости (ППК).
Предварительные замеры температуры внутреннего воздуха были проведены утром 05.02.2015 с помощью портативного термометра Testo 905-T2. Температура наружного воздуха на момент измерений составляла минус 4,5 °C, относительная влажность - 94 %. В помещениях наблюдалась разница температур. Самые низкие температуры зафиксированы в помещении № 3: температура внутреннего воздуха - 14,0-14,5 °C; поверхности ограждающих конструкций - 12,0-13,4 °C. Таким образом, система водяного отопления с алюминиевыми секционными отопительными приборами, организованная в Нарышкином бастионе ППК, не обеспечивала необходимых параметров микроклимата для размещения коллекции живописи (для холодного периода tB = 17-21 °С, фв = 50-65 %) [7, с. 97], но соответствовала требованиям [6],
допустимым для размещения экспонатов из бумаги, гравюр и изделий из дерева.
Отметим, что все замеры проводились в отсутствие посетителей, которые обычно находятся в выставочных залах в уличной одежде, и гв = 14 °С была бы для них оптимально комфортной.
Для дальнейшего уточнения параметров микроклимата в период 28.0209.03.2015 гг. замеры гв и фв проводились ШВ-датчиком ТЕМРегНЦМ в том же помещении. Полученные результаты соотносились с соответствующими показаниями наружного воздуха (по данным Гидрометцентра) (рис. 1 и 2).
г, °с 16
14 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4
1
Л
г' / ' \
/ \ \ ✓ Л' / \
2 V / \ ! \ \ ( \
\
N
888888888 8888888888888^ §
. ------------------------------------------------ -----— "•'оюсЧоо ^
ОООО §§§§
ооооооооо ооооооооооооооооооо оооооооооо^
(N(N0000000 ооооооооооооо
оооооооос
Рис. 1. - Зависимость температуры внутреннего воздуха (1) от температуры наружного воздуха (2) в помещении №3
Согласно рис. 1 , температура внутреннего воздуха почти не изменялась при перепадах температуры наружного. Влажность внутреннего воздуха на момент измерений составляла 48-58 % (см. рис. 2), что практически в пределах нормы (50-65 %).
Следующая серия замеров гв и фв проводилась с 25.05.2015 г. по 03.06.2015 (периодическое протапливание в ППК осуществляется и в летний
М Инженерный вестник Дона, №2 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2021/6826
период). Наблюдение за этими параметрами велось в течение нескольких дней, когда отопление было отключено. Температура в этот период держалась на уровне 14,0 °С. При включении системы отопления было отмечено ее резкое увеличение до 17,0 °С с тенденцией к дальнейшему повышению до 22 °С, что соответствует рекомендациям ГосНИИР для музейных зданий [ 7, е . 97 ] .
Рис. 2. - Зависимость относительной влажности внутреннего воздуха (2) от относительной влажности наружного воздуха (1) в помещении №3
По результатам исследований построена трехмерная модель помещения № 3 Нарышкина бастиона. В качестве инструмента исследования применялся гидродинамический вычислительный комплекс STAR-CCM+, основанный на численном решении трехмерных дифференциальных уравнений сохранения [8, 9].
Для расчета была построена конечнообъемная расчетная сетка размерностью 500 тысяч ячеек с измельчением ячеек у криволинейных поверхностей покрытия и у отопительных приборов - источников
и
тепловыделений [10, 11]. Заданы параметры отопительного оборудования системы. Расчет проводился для зимних условий Санкт-Петербурга.
На рис. 3 показано поле температуры в горизонтальном сечении на высоте 1,8 м. Температура здесь сохраняется в диапазоне 14-15 °С. Наблюдается локальное повышение температуры в конвективных струях, поднимающихся от нагревательных приборов. На рис. 4 приведены поля температур в вертикальном сечении.
Рис. 3. - Поле температуры в горизонтальном сечении на высоте 1,8 м
Рис. 4. - Поля температур в вертикальном сечении
и
Заключение
Поскольку толщина наружных ограждений объекта лежит в пределах 1,8-6 м, их инерционность сглаживает колебания температуры внутри помещений. Из построенной модели видно, что теоретически система отопления, настроенная на компенсацию теплопотерь, будет поддерживать необходимую ¿в.
Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы: для каждого конкретного объекта историко-архитектурного наследия необходимы сертификация, а также разработка индивидуальных схем систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в зависимости от их особенностей.
Поскольку фв объекта в основном зависит от влаговыделения в помещении, при изучении работы системы отопления следует провести дополнительные исследования [12] при потоке посетителей.
При проектировании систем отопления в зданиях-памятниках архитектуры сложной геометрической формы проектировщики сталкиваются с несоответствием архитектурных чертежей реальным объектам по размерам и форме. В связи с неоднородностью конструкций и отсутствием теплофизических характеристик ППК требуется уточнение фактического сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, а также размеров помещения путем лазерного сканирования для получения более точной 3D-модели. Решению этих задач будут посвящены дальнейшие исследования.
Литература
1. Дорохов В.Б., Фомин И.В. Пути и возможности климатологической сертификации музейных зданий и памятников архитектуры: Исследования в консервации культурного наследия. Вып. 2. Материалы международной
научно-методической конференции, посвященной 50-летнему юбилею ГосНИИР. М.: ИНДРИК, 2008. С. 86-91.
2. Федорова, И.В., Деева М.А. Исследование микроклимата казематов Нарышкина бастиона Петропавловской крепости: материалы 68-й Междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов, молодых ученых и докторантов «Актуальные проблемы строительства». В 2 ч. Ч. 1. СПб. СПбГАСУ, 2015. С. 187-191.
3. Качество воздуха в музеях // АВОК; пер. с ит. Булекова С.Н., науч. ред. Тарабанов М.Г. 2009. № 6. URL: abok.ru/for_spec/articles.php? nid=4385
4. Карпис, Е.Е. Кондиционирование воздуха в картинных галереях, музеях, книгохранилищах и архивах // АВОК. 2010. №2. С. 82 -85.
5. Blaszczok M., Kaczmarczyk J., Grygierek J.F. Microclimate (Indoor Air Quality) In Museum Buildings in Poland. May 2010. Conference: 10th Rehva World Congress. Clima 2010At: Antalya, Turkey. URL: researchgate.net/publication/275654892_Microclimate_Indoor_Air_Quality_In_M useum_Buildings_In_Poland
6. Wall S. Creating microclimate in museum buildings // Chlodnictwo & Klimatyzacja. 2006. № 1-2. Рр. 35-40 (in Polish).
7. Девина Р.А., Илларионова И.В., Бойко В.А., Юхновец Т.М. Средства создания оптимального микроклимата в музейных зданиях и зданиях-памятниках культовой архитектуры: методические рекомендации. М.: ВНИИР, 1987. 150 с.
8. Денисихина Д.М., Иванова Ю.В., Мокров В.В. Численное моделирование истечения из современных воздухораспределительных устройств // Инженерный вестник Дона. 2018. № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/4972
9. Sukhanova I. Numerical modeling of the microclimate and air quality of an Orthodox church in Saint-Petersburg: E3S Web of Conferences. Vol. 91. 02002
(2019). Topical Problems of Architecture, Civil Engineering and Environmental Economics (TPACEE 2018). URL: e3s-
conferences.org/articles/e3sconf/pdf/2019/ 17/e3sconf_tpacee2019_02002.pdf
10. Суханов К.О., Гримитлин А.М., Шкаровский А.Л. Микроклимат жилых помещений с плинтусной системой водяного отопления и подачей приточного воздуха через регулируемые оконные створки // Вестник гражданских инженеров. 2017. №5(64). С. 111-115.
11. Sukhanova I., Sukhanov K. Numerical Simulation of a Stable Microclimate in a Historic Building // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020. V. 982. Pр. 84-90. DOI: 10.1007/978-3-030-19756-8_9
12. Карлина И. Н. Новоженин В. П. Особенности проведения комплексных натурных обследований объектов, подлежащих реконструкции // Инженерный вестник Дона. 2012. № 4, ч. 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1235
References
1. Dorohov V.B., Fomin I.V. Materialy mezhdunarodnoj nauchno-metodicheskoj konferencii, posvjashhennoj 50-letnemu jubileju GosNIIR. M.: INDRIK, 2008. Рр. 86-91.
2. Fedorova I.V., Deeva M.A. Materialy 68-j Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. studentov, aspirantov, molodyh uchenyh i doktorantov «Aktual'nye problemy stroitel'stva». V. 2 ch. Ch. 1. SPb.: SPbGASU, 2015. Рр. 187-191.
3. AVOK; per. s it. Bulekova S.N., nauch. red. Tarabanov M.G. 2009. № 6. URL: abok.ru/for_spec/articles.php?nid=4385
4. Karpis, E.E. AVOK. 2010. №2. Рр. 82 -85.
5. Blaszczok M., Kaczmarczyk J., Grygierek J.F. May 2010. Conference: 10th Rehva World Congress. Clima 2010At: Antalya, Turkey. URL:
researchgate.net/publication/275654892_Microclimate_Indoor_Air_Quality_In_M useum_Buildings_In_Poland
6. Wall S. Chlodnictwo & Klimatyzacja. 2006. № 1-2. Pp. 35-40 (in Polish).
7. Devina R.A., Illarionova I.V., Bojko V.A., Juhnovec T.M. Sredstva sozdanija optimal'nogo mikroklimata v muzejnyh zdanijah i zdanijah-pamjatnikah kul'tovoj arhitektury: metodicheskie rekomendacii [Means of creating an optimal microclimate in museum buildings and buildings-monuments of cult architecture: methodological recommendations]. M.: VNIIR, 1987. 150 p.
8. Denisihina D.M. Ivanova Ju.V., Mokrov V.V. Inzhenernyj vestnik Dona. 2018. №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/4972
9. Sukhanova I. E3S Web of Conferences. Vol. 91. 02002 (2019) Topical Problems of Architecture, Civil Engineering and Environmental Economics (TPACEE 2018). URL:e3sconferences.org/articles/e3sconf/pdf/2019/17/e3sconf_tpacee2019_02002. pdf
10. Sukhanov K.O., Grimitlin A.M., Shkarovskij A.L. Vestnik grazhdanskih inzhenerov. 2017. №5 (64). pp. 111-115.
11. Sukhanova I., Sukhanov K. Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020. V. 982. Pp. 84-90. DOI: 10.1007/978-3-030-19756-8_9
12. Karlina I.N. Novozhenin V.P. Inzhenernyj vestnik Dona. 2012. № 4, ch. 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1235
