CC BY
66Раздел 1. Градостроительство
УДК 92.412:551.5] :697.112.1/3:726
ВЛИЯНИЕ ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНЫЙ РЕЖИМ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ОБЪЕКТОВ КУЛЬТУРНОГО НАСЛЕДИЯ XVIII-XIX ВЕКОВ
Алексеенко ВН., Михеева ЮЛ.
Академия строительства и архитектуры КФУ им. В.И. Вернадского, г. Симферополь, ул. Киевская, 181
email: [email protected]
Аннотация: В статье рассматривается влияние окружающей природной среды на создание оптимального микроклимата в храме через температурно-влажностный режим ограждающих конструкций. Изучается процесс воздействия комплекса климатических факторов на теплозащитные и влажностные характеристики ограждающих конструкций с целью определения динамики параметров микроклимата при различных сезонных колебаниях, позволяющей оценить положительные климатические аспекты каждой стороны горизонта отдельно для теплого и холодного периодов.
Ключевые слова: климатические параметры, микроклимат православных храмов, температурно-влажностный режим, солнечная радиация, температурно-ветровой режим.
Введение
При проведении реставрационных работ в православных храмах ХУШ-Х1Х веков основное внимание уделяется разработке противоаварийных и консервационных мероприятий. При этом следует подчеркнуть, что проблемы создания и поддержания оптимального температурно-влажностного режима, обеспечивающего сохранность интерьера, декоративного убранства и строительных конструкций являются сложной задачей, требующей всестороннего изучения. [1,15,16]
Эта проблема остается актуальной для действующих православных храмов Крыма, являющихся памятниками истории и культуры. При строительстве этих зданий в прошлых веках, проблема вентиляции и отопления в зимний период осуществлялась в основном за счет печного отопления и вентиляционных каналов, устроенных в стенах здания. За долгий период запустения или нецелевого использования этих помещений система поддержания микроклимата была разрушена, а восстановление функций воздуховодов не представляется возможным из-за сложности каменной кладки.
Использование современного
климатического оборудования для поддержания оптимального микроклимата в подобных зданиях, как правило, устанавливается исходя из общего внутреннего пространства. Зачастую подобные мероприятия лишь усугубляют проблему баланса в температурно-влажностном режиме, и могут нарушить аутентичность памятника истории и культуры. При расчете таких систем не учитывается сложность объемно-планировочных решений, конструктивные приемы и влияния многих факторов окружающей природной среды. [4, 8, 10]
Многолетними наблюдениями установлено несомненное влияние природных условий местности на формирование внутренней среды и
температурно-влажностных характеристик
ограждающих конструкций. Однако большинство этих научных работ было направлено на изучение влияния климатических факторов на формирование внутренней среды жилых зданий, тогда как в реконструкции и реставрации памятников истории и культуры этот вопрос практически не рассматривается. [6, 7, 9, 11, 14]
Анализ публикаций
В силу сложившейся ситуации в стране до конца ХХ века вопросу сохранности церковных зданий практически не уделялось внимания. Лишь за последнее десятилетие в этой области наметился существенный прогресс: были введены в действие Свод Правил и Стандарт АВОК, разработаны пособия и рекомендации.
Определение оптимальных значений температуры и относительной влажности, а также допустимых колебаний параметров микроклимата всегда вызывало споры и до настоящего времени в мире отсутствует единое мнение по этому вопросу. Многолетние исследования, проводимые как у нас, так и за рубежом установили несомненное влияние климатических факторов на эксплуатационные характеристики строительных конструкций. Изучению природно-климатических особенностей, влияющих на теплотехнические свойства наружных ограждений, посвящено немало научных работ, в которых рассматривались и вопросы создания оптимального микроклимата помещений с учетом перегрева в жарких районах. Однако, в силу того, что эти исследования проводились для жилых зданий, в нашем случае они требуют серьезной корректировки и усовершенствования.
Многие климатические данные
недооцениваются в строительной практике. Между тем, правильная оценка основных факторов климата — температуры, ветра, осадков и солнечной радиации на вертикальные поверхности
ограждающих конструкции здании различной ориентации существенно влияют на создание оптимального микроклимата в помещении.
Цель и постановка задачи Целью статьи является обоснование сочетания в комплексе природно-климатических условии при воздеиствии на ограждающие конструкции, которые позволят получить эквивалентные температуры внешней среды по всем сторонам горизонта.
Основная часть Важнейшим условием сохранности памятников архитектуры и их интерьера является создание и поддержание необходимых величин параметров внутренней воздушной среды, которые приведены в табл. 1. [5, 10, 15, 16] Таблица 1.
Период года Помещение Параметры
г, °С Ф, % и, м/с
Холодный Центральная часть храма 14-16 40-55 0,2
Теплый Все помещения 23-25 50-55 0,2
Достижение этого баланса при реконструкции храмов осложняется
первоочередными требованиями максимальной сохранности здания и его внутреннего убранства.
Рис. 1. Схема плана Собора Петра и Павла в г. Симферополе
Церковные здания представляют собой сооружения сложной геометрической формы. Внутренней пространство усложнено как в плане, так и по высоте. Как правило (рис. 1), в плане они состоят из трех основных частей: алтарь, средней части и притвора. При расчете параметров микроклимата необходимо учитывать их неординарную структуру внутреннего пространства: вытянутый к верху объем помещения, при котором создается тепловая стратификация, уменьшение толщины стен барабана, вследствие чего происходит неравномерное распределение температуры по высоте помещения храма, массивные наружные стены, сравнительно небольшая площадь оконных и дверных проемов.
В силу индивидуальных архитектурно-конструктивных особенностей каждого
православного храма и их окружающей природной среды в оценке и создании благоприятного микроклимата для обеспечения сохранности, как здания, так и внутреннего интерьера необходимо подходить комплексно, принимая во внимание такие условия:
Природная среда - конструктивное решение -режим эксплуатации На создание микроклимата в помещении большое влияние оказывает взаимозависимость искусственной среды и внешних климатических факторов. [6,7,9] Именно через ограждающие конструкции происходит их взаимодействие. К числу наиболее важных климатических факторов, влияние которых на сооружения оказывается наиболее значительным, относятся:
- температура и влажность наружного воздуха
- солнечная радиация
- температурно-ветровой режим
Принимая во внимание строго каноническую ориентацию здания по сторонам света, можно уже на первом этапе исследования предусмотреть возможные изменения в температурно-влажностном режиме конструкций и внутреннем микроклимате храма.
Благодаря массивным стенам православных храмов, толщина которых варьируется 1,1- 1,6 м, тепловая инерция достаточно велика: Б > 7, что отвечает современным требованиям по сопротивлению теплопередаче. Поскольку большую часть зимы здание находится под воздействием других температур, которые не являются нормативными и не принимаются во внимание при определении теплопотерь, рассчитанная система климатизации создаст условия, отрицательно влияющие на сохранность памятников и их интерьеров. [11,12,13].
Исходя из расчета по определению температуры поверхности ограждающих конструкций: перепад температуры наружного воздуха и температуры наружных стен составит 4,5 0С, что в условиях Крыма при среднемесячной температуре в январе -10С исключит промерзание наружных стен. [6,9]
Проведенные натурные исследования свидетельствуют о большой роли прямой солнечной радиации в тепловом балансе здания и рекомендуют использовать ее в строительной практике. [7,9] Крымский полуостров обеспечен большим количеством тепла не только летом, но и зимой. В декабре и январе здесь на единицу земной поверхности за сутки поступает тепла в 8-10 раз больше, чем, например, в Санкт-Петербурге.
Количество солнечной радиации зависит от сезонности, географической широты и ориентации по сторонам света.
- из годовой суммы радиации Крым получает зимой примерно 10%, весной 30%, летом 40% и осенью 20%.
- в холодный период (с ноября по апрель) с увеличением географической широты уменьшается интенсивность прямой солнечной радиации. Если сравнить данные за январь для Симферополя (450) и Санк-Петербурга (600), то получим что суммарное количество солнечной радиации за сутки в Симферополе в 3 раза больше чем в Санкт-Петербурге (рис. 2).
245
—
65,5
1Я
46° с.ш. 60° с.ш. 46° с.ш. 60° с.ш.
январь ИЮЛЬ
Рис. 2. Суммарная солнечная радиация в
зависимости от географической широты, (кВтч/кв.м) - в холодный период на стены южной, юго-восточной и юго-западной ориентации интенсивность солнечной радиации значительно превосходит значение в летний период и оказывается наибольшим в году (рис. 3).
с
с-з 92.5 ут— 53.5 С-В --- 92.5
3 / 51.5 51.5 \ В
135 \ / \ / 135
125.5 N024 124Л/|25.5
ю-з \ 166.54 103 Ю у' Ю-В
Рис. 3. Количество солнечной радиации в зависимости от сторон света, (кВтч/кв.м)
Большие суммы тепла от прямой солнечной радиации, поступающие на южные стены зимой, интенсивней ее нагревают, что отражается на явлении перепада температур в толще стены, соответственно на ее теплотехническом состоянии повышая его на 15-17 %, в то время как северные стены остаются совершенно не облученными и соответственно в температурном режиме гораздо холоднее.
Температура ветра, его направление и скорость, представленные в табл. 2, относятся к числу наиболее важных климатических факторов, оказывающих значительное влияние на строительные конструкции. В результате недостаточно полного, а иногда и неверного использования этих данных нарушается качество строительных конструкций и санитарно-гигиенические условия внутреннего режима помещений. При воздействии на здание комплексно характеристики элементов климата усиливают или ослабляют эффективное действие друг друга. Совместное действие температуры наружного воздуха и ветра сильно сказываются на температурном режиме наружных стен особенно в зимних условиях. Разница в температуре стен южной и северной ориентации в зависимости от температуры наружного воздуха и направления ветра может составлять до 10 градусов. [6, 7, 9, 13] Таблица 2.
Параметры температурно-ветрового режима
Показатель для января Направление ветра
С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ
Температура ветра, 0С 0,4 0,9 1,6 2,2 5,6 4,3 1,8 0,3
Повторяем., % 5 23 11 17 12 19 7 6
Скорость, м/с 3,4 5,8 3,9 3,2 5,2 6 5,8 3,8
При расчете воздухопроницаемости ограждающих конструкций учитывается лишь максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь, повторяемость которых составляет более 16 %, при расчете тепловой защиты здания ветровые данные не учитываются вообще. Однако это очевидно, что влияние господствующего ветра на ограждающие конструкции усугубляется сопровождающими его более низкими температурами воздуха при этом возникает эффект охлаждения, еще больше снижающий температуру наружной поверхности. Эта зависимость представлена в табл. 3.
Особенно тяжелые условия
складываются при сильном ветре и интенсивных осадках. При господствующих ветрах большой силы, действующих в комплексе с дождем или мокрым снегом, влага может проникать даже к внутренней поверхности ограждения, резко повышая при этом влагосодержание в конструкциях и внутреннем воздухе.
Таблица 3.
Охлаждающий эффект ветра. Влияние скорости _ветра на температуру воздуха_
Температура воздуха, 0С Скорость ветра, м/с
1,4 2,8 4,2 5,6 8,3
10 10 9 8 7 7
5 4 3 2 1 0
0 -2 -3 -4 -5 -6
-5 -7 -9 -11 -12 -13
-10 -13 -15 -17 -18 -20
Из-за сложности и многообразия воздействие внешней среды на сооружения данные слабо изучены и еще весьма слабо используются в практике строительства. До сих пор климатические факторы полностью не учитываются в методике теплотехнического расчета. Введенные
коэффициенты поправки в зависимости от ориентации по сторонам света (10% - С-З, С, С-В, В и 5% - Ю-В, З) при расчете теплопотерь через наружные ограждающие конструкции не могут быть признаны удовлетворительными и не соответствуют воздействию основных климатических факторов. Поэтому мониторинг пространственно-временных изменений климатических факторов является необходимым для оптимизации условий сохранности памятника и предметов интерьера.
В целях установления и изучения влияния различных факторов окружающей среды на ограждающие конструкции и микроклимат в храме предлагается провести экспериментальные и визуальные наблюдения путем регистрации температуры и относительной влажности воздуха. Сравнив эти данные с параметрами наружного воздуха за определенный период (сутки, месяц, сезон, год) понять динамику изменений показателей в конструкциях и внутренней среды за счет сезонных колебаний, а контроль температуры поверхности конструкций позволит оценить риск выпадения конденсата.
Предполагается общий цикл измерений разделить на два периода: холодный период (октябрь-апрель) и теплый период (март-сентябрь), которые в свою очередь делятся на циклы: условия неотапливаемого храма и условия отапливаемого храма. Такой способ даст возможность оценить температурно-влажностный режим памятника в течении года в условиях эксплуатации и дополнительно изучить влияние установленных климатических систем на температурно-влажностный режим в храме.
На основе предварительного обследования выбираются определенные точки для постоянных замеров температурно-влажностных параметров, количество и расположение которых зависит от конкретных особенностей объекта, его состояния и целей исследования.
Изучения температурно-влажностного состояния конструкций и внутренней среды применительно к памятникам архитектуры ведутся неразрушающим методом. Он основывается на выявлении пространственных и временных зависимостей распределения в них влаги и температуры относительно режима эксплуатации и природных условий. При подобном подходе учитываются не только абсолютные значения критериев, но и динамика их изменения в объеме внутреннего пространства. Конечным результатом исследования предполагается достаточно полная картина распределения влаги и температуры в конструкциях памятника во времени. Это позволит
установить основные источники и причины повышенной влажности, наиболее уязвимые части конструкций, провести анализ теплотехнического состояния наружных стен в существующих условиях, дать необходимые рекомендации по нормализации температурно-влажностного режима памятника, затем оценить эффективность их реализации.
Выводы
В Крыму, с его богатейшим историческим прошлым, его природно-климатическими особенностями и разнообразием строительного материала реставрацию памятников истории и культуры необходимо проводить с учетом местных природно-климатических факторов, их влияния на ограждающие конструкции и создания температурно-влажностного режима в помещениях. В реконструируемых соборах при создании систем климата задача осложняется требованиями максимальной сохранности здания и его внутреннего убранства.
1. Представленный методологический подход, основанный на получении информации о временных и пространственных изменениях относительной влажности, влагосодержания и температуры воздуха, а так же влажности и температуры поверхностей несущих и ограждающих конструкций в течении годового цикла, позволяет обоснованно учитывать изменчивость температур и влажности изучаемых объектов культурного наследия в местных климатических условиях с учетом их изменения.
2. Создаваемая система контроля тепловлажностных параметров в ограждающих конструкциях, внутреннего объема и наружного воздуха позволит моделировать динамику изменения параметров при различных сезонных колебаниях и выработать рекомендации по оптимизации создания благоприятного микроклимата объектов культурного наследия с учетом конкретизации режимов их эксплуатации.
Литература
1. Сизов Б.Т. Мониторинг температурно-влажностного режима памятников архитектуры. Журнал "АВОК" 2003 год №2
2. Беат V. Системы отопления и вентиляции храмовых зданий. Журнал АВОК №8/2003
3. Дорохов В.Б., Зотов А.В. Опыт применения неразрушающих методов контроля температурно-влажностного режима ограждающих конструкций памятников архитектуры. Музейное хранение и оборудование. Информкультура ГБЛ. Экспресс-информ. М., 1991 с.24-30.
4. Кронфельд Я. Г. Принципы устройства систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, тепло- и холодоснабжения в зданиях культовой архитектуры. Журнал АВОК №1/2000
5. Микроклимат церковных зданий. Министерство культуры РФ, ГоНИИ реставрации, М., 2000 г.
6. Васильев Б. Ф. Натурные исследования температурно-влажностного режима жилых зданий. - М., 1957. 212с.
7. Круглова А.И. Климат и ограждающие конструкции. - М.: Стройиздат. 1970. 168 с.
8. Михеева Ю.Л., Сергеева О.И., Алексеенко В.Н. Гидрозащита памятников истории и культуры на примере Петропавловского собора в г. Симферополе. Строительство и техногенная безопасность. Сб. науч. трудов. — Симферополь: НАПКС, 2014. — Вып. 50. — С. 130—135.
9. Маркус Т.А., Моррис Э.Н. Здания, климат и энергия. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985.
10. Стандарт АВОК. Храмы православные. Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха. - М.:АВОК-ПРЕСС, 200
11. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий
12. СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология и геофизика
13. МДС 31-9.2003/АХЦ «Арххрам» Православные храмы и комплексы. Том 2. - М.: ГУП ЦПП, 2003.
14. СП 31 -103-99 Здания, сооружения и комплексы православных храмов
EFFECT OF CLIMATIC FACTORS ON THE TEMPERATURE AND HUMIDITY CONDITIONS WALLING CULTURAL HERITAGE XVIII-XIX CENTURIES.
Summary: The article examines the impact of the environment to create an optimal climate in the church through the temperature and humidity conditions walling. We study the impact of the complex process of climatic factors on the heat-shielding and humidity properties walling in order to determine the dynamics of microclimate at different seasonal variations, allowing to assess the positive aspects of climate each side separately horizon for warm and cold periods.
Keywords: climatic parameters, microclimate Orthodox churches, temperature and humidity conditions, solar radiation, temperature and wind regime
