Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 107-91-50 ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"

АВОК ассоциированный
член
Summary:

Опыт оптимизации воздухораспределения и параметров микроклимата в православном храме

Experience in optimizingair distribution and microclimate parameters in an Orthodox Church

K. V. Belyaev, A. V. Garbaruk, D. A Nikulin, M. Kh.Strelets,Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Keywords: Ventilation; microclimate;numerical simulation; computational fluid dynamics; Orthodox Church; HVAC system

Based on the analysis of the results of simulations of air flowand heat transfer using computational fluid dynamics (CFD) methods in the premises of the Church of the Nativity of Christ on Piskarevsky Prospekt in St. Petersburg, the reasons for the unsatisfactory operation of the heating, ventilation, and air conditioning (HVAC)design system were found and proposals for its modification were formulated. They served as the basis for the development of technical specifications for the design of a new HVAC system for the church. The experience of its operation showed that in the premises of the church it was possible to significantly increase the level of comfort for visitors and significantly reduce the production of soot when burning church candles.

Описание:

На основе анализа результатов моделирования воздушных потоков и теплопереноса с использованием методов вычислительной гидродинамики (ВГ) в помещении храма Рождества Христова на Пискаревском проспекте в Санкт-Петербурге найдены причины неудовлетворительной работы проектной системы отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВК) и сформулированы предложения по её модификации. Они послужили основой для разработки технического задания на проектирование новой системы ОВК храма. Опыт её эксплуатации показал, что в помещении храма удалось значительно повысить уровень комфорта для посетителей и существенно уменьшить образование копоти при горении церковных свечей.

Опыт оптимизации воздухораспределения и параметров микроклимата в православном храме

Кусок кирпича в раковине умывальника

Храм Рождества Христова (Санкт-Петербург, Пискаревский пр-т)

Введение

Строительство православных храмов в России имеет богатые традиции. В советский период строительство православных храмов практически прекратилось и возобновилось только в начале XXI века; в это же время были созданы новые, научно обоснованные правила и пособия по их проектированию [5, 6]. Одна из важных задач, решаемых на этапе проектирования или реставрации религиозных зданий, – создание в них оптимальных параметров микроклимата с целью обеспечить как комфортные условия для посетителей и служителей храмов, так и сохранность религиозного и художественного интерьера [1].

Важной специфической особенностью эксплуатации зданий православных храмов является традиция возжигания в них церковных свечей. В тех случаях, когда имеется высокая подвижность воздуха в месте размещения свечей, их горение сопровождается интенсивным выделением сажи, которая в виде отложений черного цвета покрывает значительные по площади поверхности художественного и религиозного интерьера, а также архитектурные элементы здания. Кроме того, сажа адсорбируется поверхностью, на которую она осаждается, и глубоко проникает в наружный слой. Эту сажу невозможно удалить при помощи щетки или стереть, поэтому стены обычно моются щелочными растворами с последующей покраской. Чем больше помещение храма, тем труднее и дороже проводить в нем подобные ремонтно-восстановительные работы (подробнее об указанной проблеме см. работу [3]).

Как правило, при проектировании зданий новых православных храмов расчет теплового баланса и систем жизнеобеспечения проводится в предположении однородности среды в объеме помещения. Данный подход оправдан в случае типовых помещений сравнительно небольшого объема и, очевидно, недостаточно обоснован для больших сооружений, в частности православных храмов, архитектура которых подразумевает доминирующую вертикальную планировку, способствующую возникновению значительной стратификации параметров микроклимата по высоте. Ошибки проектирования в этом случае могут приводить к появлению различного рода проблем, которые выявляются, как правило, только на этапе эксплуатации здания.

Приведем несколько примеров такого рода случаев, непосредственно связанных с темой настоящей статьи. В конце 70-х годов прошлого века в качестве основной системы отопления в частных домах стали использовать систему «теплый пол». Степень теплового комфорта, «невидимость» и отсутствие шума при эксплуатации способствовали ее широкому внедрению в строительную практику. Однако ее применение для обогрева больших по объему монументальных соборов и храмов привело к неоднозначным, в т. ч. отрицательным результатам. Так, например, в старинной церкви Св. Мартина (г. Верте, Нидерланды) после замены системы теп­ловоздушного отопления на систему «теплый пол» существенно увеличилась степень осаждения сажи на стены, иконы и старинные витражи [9]. За два года многочисленных экспериментальных исследований была обнаружена однозначная зависимость степени загрязнения поверхностей интерьера от подвижности воздуха вблизи пола, которая определялась величиной разницы температуры воздуха и пола и вызывала интенсивное сажеобразование при горении церковных свечей. Итогом этой работы стало внедрение в церкви системы, которая поддерживает минимальную разницу температуры пола и воздуха, использование преимущественно высококачественных восковых свечей и защита старинного интерьера при помощи стеклянных витрин.

 План храма Рождества Христова.

Рисунок 1.

План храма Рождества Христова. Желтым цветом обозначена часть пола, обогреваемая системой «теплый пол», прямоугольники красного цвета – радиаторы водяного отопления, стрелки голубого цвета – направления движения воздуха на решетках вентиляционных каналов системы тепловоздушного отопления. Пунктир – YX-сечение «восток–запад»

В г. Магнитогорске (Челябинская обл.) в 2004 го­ду был открыт кафедральный собор Вознесения Христова – самое большое культовое сооружение города. К сожалению, в настоящее время внутреннее убранство собора потеряло свою первозданную красоту из-за того, что поверхности стен, потолка и куполов покрылись значительным слоем сажи. В работе [7] представлены результаты расчетно-теоретических исследований с анализом причин неудовлетворительного состояния художественного интерьера собора и рекомендациями по созданию оптимальной системы тепловоздушного отопления. В частности, предложено защитить от налипания сажи поверхность стен и колонн пристенными потоками путем организации подачи воздуха вертикальными струями от напольных распределителей, а удаления – через вентиляционные проемы, расположенные в окнах подкупольного барабана.

Аналогичная ситуация возникла в храме Рождества Христова в Санкт-Петербурге на Пискаревском проспекте. Это самый большой храм, построенный в городе за последние 100 лет (открылся в 2018 го­ду), и практически сразу после начала его эксплуатации были выявлены серьезные проблемы в работе систем ОВК. В частности, как показали многочисленные наблюдения, в помещении храма в пространстве у пола молельного зала возникают интенсивные воздушные потоки, вызывающие тепловой дискомфорт у находящихся там людей. Кроме того, под воздействием этих воздушных потоков пламя церковных свечей интенсивно колеблется, что, в свою очередь, приводит к значительному выделению копоти. В таких условиях проведение дорогостоящей, трудоемкой художественной росписи стен храма, высота которого составляет 50 м, целесообразно только после ликвидации причин саже­образования.

Цель настоящей статьи – используя методы вычислительной гидродинамики (ВГ), выявить причины неудовлетворительной работы проектной системы ОВК храма Рождества Христова и предложить ее модификацию, которая бы обеспечивала нахождение значений показателей комфортности в нормативном диапазоне, а также низкую подвижность воздуха у пола молельного зала и, как следствие, снижение выделения копоти при горении свечей.

Метод решения

Представленные расчетно-теоретические исследования базируются на использовании методов ВГ. Этот подход требует ограниченной эмпирической информации и позволяет рассчитывать как интегральные, так и локальные характеристики воздушных потоков в объеме помещения. Последнее важно в случае анализа работы систем ОВК уникальных зданий и объектов (см., например, [4]) и незаменимо в контексте настоящего исследования. Практическая реализация подхода проводится на базе использования программного комплекса COOLIT [8].

Объект исследования

Храм Рождества Христова – одиноко стоящий купольный храм. Его высота – 50 м, вместимость – 1000 человек, площадь молельного зала – 400 м2.

Проектная система ОВК храма состоит из трех систем: «теплый пол», радиаторное отопление и тепловоздушное отопление (рис. 1). Забор воздуха из помещения храма происходит через вентиляционную решетку, расположенную на западной стене на высоте 20 м над уровнем пола.

Результаты и обсуждение

Как показали расчеты, при работе проектной системы ОВК движение воздуха у пола молельного зала является нестационарным и характеризуется наличием многочисленных вихревых структур (рис. 2a), формирующихся в результате взаимодействия следующих течений:

• опускные течения около относительно холодных поверхностей архитектурных элементов храма;

• поток относительно холодного воздуха из алтарной части помещения, перетекающий через иконостас и попадающий в молельный зал;

• вихревые ячейки над нагретым полом молельного зала (конвекция Рэлея–Бенара).

 План храма Рождества Христова.

Рисунок 2.

Мгновенные поля температуры и векторы скорости в плоскости симметрии здания (сечение «восток–запад», см. рис. 1): a – проектная система ОВК; б – проектная система с отключенным «теплым полом»; в – предлагаемая система

На рис. 3 (линия красного цвета) представлен график изменения во времени модуля скорости воздушного потока в точке, где находится главный подсвечник храма (см. рис. 1). Амплитуда изменений скорости потока во времени достаточно велика – от 0,03 до 0,44 м/с. Частота колебаний меняется во времени и составляет от 3 до 6 колебаний в минуту, из-за чего пламя свечей также является нестационарным и колеблется с близкой частотой.

 План храма Рождества Христова.

Рисунок 3.

Зависимость от времени величины модуля скорости воздушного потока в точке размещения главного подсвечника. Линия красного цвета – проектная система ОВК, синего – проектная система с отключенным «теплым полом», зеленого – предлагаемая система

Видеосъемка горения свечей в молельном зале позволила рассчитать долю времени от общего времени горения, когда пламя свечей остается вертикальным и они практически не коптят (τ = 11 %). Очевидно, что точность этих наблюдений невысока, однако качественно они соответствуют результатам расчетов и подтверждают связь между колебаниями скорости и характером горения свечей.

Для оценки степени влияния конвекции Рэлея–Бенара на течение воздуха у пола молельного зала был проведен расчет параметров микроклимата в помещении храма при отключенной системе теплый пол». В этом случае происходит радикальное изменение характера течения в рассматриваемой зоне. В частности, исчезают вихревые структуры, поле температуры становится более однородным (рис. 2б), существенно уменьшается частота колебаний модуля скорости (рис. 3, синяя линия) и его среднее значение (с 0,21 до 0,06 м/с). Результаты расчета подтверждаются наблюдениями за характером горения свечей. В рассматриваемом случае время горения свечей без образования копоти составляет τ = 52 %.

Независимо от того, работает или нет система «теплый пол», в центральной части молельного зала существует устойчивое перемещение относительно холодных воздушных масс по направлению от иконостаса к западной стене храма (рис. 2a, 2б). Об этом также свидетельствуют наблюдения за пламенем свечей, которое преимущественно отклоняется в направлении западной стены храма. Очевидно, что необходимо найти инженерное решение, позволяющее исключить перемещение холодного воздуха из алтарной зоны в молельный зал. Из всех рассмотренных вариантов наиболее эффективным оказался вариант с отбором воздуха в полу из алтарной части помещения храма. На рис. 2в представлены результаты расчета такого варианта при отключенной системе «теплый пол». В рассматриваемом случае перетекание воздуха из алтарной части помещения в молельный зал практически отсутствует, что приводит к уменьшению подвижности воздуха у пола в молельном зале (рис. 3, линия зеленого цвета). По сравнению с проектной системой ОВК не только значительно (в 6,2 раза) уменьшается среднее значение модуля скорости – с 0,21 до 0,034 м/с, – но также существенно снижается частота его колебаний, что, очевидно, должно приводить к дополнительной стабилизации пламени свечей.

В табл. 1 представлены результаты расчета процента посетителей, недовольных тепловыми условиями (PPD) и наличием сквозняков (DR, подробнее о расчете показателей комфортности см. [2]), а также доля времени горения свечей без образования копоти, полученная из обработки видеоматериалов. По сравнению с проектной ОВК процент недовольных сквозняком уменьшился практически на порядок, а процент недовольных тепловым комфортом снизился почти в два раза и попал в рекомендованный диапазон <10 %.

Итогом работы стали предложения по модификации проектной системы ОВК, которые заключались в отказе от системы «теплый пол» и организации забора воздуха в полу алтарной части. Эти предложения послужили основой для разработки технического задания на проектирование новой системы ОВК храма. В 2020 году был проведен монтаж и пусконаладочные работы новой системы. Опыт ее эксплуатации в осенне-зимний период 2020–2021 годов показал, что характеристики воздушной среды у пола молельного зала соответствуют расчетным данным. Исчезли сквозняки и, как следствие, при горении свечей практически не образуется сажа (см. табл. 1).

Заключение

Выполнена серия расчетов динамических характеристик воздушных потоков и параметров микроклимата в помещении храма Рождества Христова на Пискаревском проспекте в Санкт-Петербурге.

Анализ полученных результатов показал, что:

• при проектировании систем ОВК больших храмов необходимо обеспечить низкую подвижность воздушных потоков в молельном зале. Для решения этой задачи следует использовать подходы, основанные на методах ВГ;

• использование системы «теплый пол» может приводить к снижению качества микроклимата в молельном зале;

• в осенне-зимний период в алтарной части храма за счет опускных течений возможно накопление значительных объемов холодного воздуха, перемещение которых в молельный зал приводит к снижению там качества микроклимата.

Литература

  1. Бродач М. М. Отопление соборов – практика альтернативных решений // АВОК. – 2004. – № 2.
  2. 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, 2011.
  3. Девина Р. А., Илларионова И. В. и др. Микроклимат церковных зданий (основы нормализации температурно-влажностного режима). – М.: РИО ГосНИИР, 2000.
  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. СП 391.1325800.2017 Храмы православные. Правила проектирования. Министерство строительства и жилищно-коммунального хозяйства. – М.: Стандартинформ, 2018.
  6. Стандарт АВОК-2-2004. Храмы православные. Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха. – М.: АВОК-ПРЕСС, 2004.
  7. Старкова Л. Г., Морева Ю. А., Новоселова Ю. Н. Оптимизация микроклимата в православном храме методом числового моделирования воздушных потоков // Вестник ЮУрГУ. Серия «Строительство и архитектура». – 2018. – № 18(3). – С. 53–59.
  8. Daat Research Corp. Attn: Human Resources. – P.O. Box 5484. Hanover, NH 03755-5484 USA. – URL: https://daat.com.
  9. Schellen H. L. Heating monumental churches: Indoor climate and preservation of cultural heritage. – Technische Universiteit Eindhoven, 2002. – DOI:10.6100/IR561673.
купить online журнал подписаться на журнал
Поделиться статьей в социальных сетях:

Все иллюстрации приобретены на фотобанке Depositphotos или предоставлены авторами публикаций.

Статья опубликована в журнале “АВОК” за №7'2021

PDF pdf версия


Статьи по теме

Реклама
Реклама на нашем сайте
Яндекс цитирования

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Сертификационный центр АВОК
Реклама на нашем сайте
Онлайн-словарь АВОК!