К основным отличительным особенностям православных храмов относятся, прежде всего, их нестандартные и оригинальные архитектурно-планировочные решения. Вытянутое вверх пространство при небольшой площади здания осложняет равномерный прогрев воздуха в рабочей зоне, а большая часть тепла, предназначенного для отопления, уходит вверх, отапливая ненужное пространство. Неравномерность посещения храмов приводит к тому, что существующие системы вентиляции не справляются с возрастающей нагрузкой при максимальном заполнении храма.
Системы не являются энергоэффективными, что в современных условиях экономии энергетических ресурсов является особенно важной проблемой. От стоек с горящими свечами выделяются большие конвективные потоки, сажа и копоть от которых оседает на стенах и колоннах и портит иконы, фрески, росписи и общую отделку храма. Таким образом, системы отопления и вентиляции в большинстве храмов и других культовых сооружениях на сегодняшний день работают не удовлетворительно.
Это означает, что существует необходимость поиска других путей решения проблемы, в связи с чем было проведено исследование на базе Храма Покрова Пресвятой Богородицы в городе Трехгорном Челябинской области и Храма Вознесения в городе Магнитогорске Челябинской области. Наиболее детально рассматривались центральные части храмов, так как именно в них пребывают посетители и находится наибольшее количество свечей и религиозных ценностей.
Согласно статистическим данным, количество посетителей в храме очень неравномерно и меняется в зависимости от времени суток, дней недели и месяца. Подавать в храм одинаковое количество воздуха, рассчитанное на максимальное заполнение храма, очень неэкономично с точки зрения расходов количества свежего воздуха, теплоты и холода. Проблема неравномерности посещения храмов нашла отражение в современных нормативах по проектированию храмов и храмовых сооружений.
Согласно требованиям воздухообмен рекомендуется рассчитывать для четырех периодов в соответствии с режимом работы храма: для времени, когда заполнение средней части храма равно 0, 10, 50 и 100 %. Очевидно, что необходимо ввести автоматизацию систем приточных установок для четырех указанных режимов для возможности регулирования параметров воздуха в соответствии с этими режимами.
В ходе проведенных исследований было выяснено, что ночью, рано утром и поздно вечером по будням посетителей нет. А 10 % от общего количества посетителей в храмах наблюдается в будние дни, когда нет православных праздников. Храм заполняется на 50 % прихожан по выходным и большим христианским праздникам, и 100 % посещение происходит обычно в четыре великих православных праздника: Пасху, Троицу, Рождество и Крещение.
Было подсчитано, по сколько часов в году приходится на каждый из четырех вышеуказанных режимов, а затем при помощи графоаналитического способа, построены годовые графики потребления ресурсов: теплоты, холода и свежего воздуха. С помощью этих графиков удалось определить реальное количество этих ресурсов. По приблизительным подсчетам, при внедрении автоматизированной приточной установки, которая сочетает в себе как нагрев, так и охлаждение воздуха, удастся сократить нагрузки на тепло до 90, а на холод — до 84 %.
В то же время, регулирование воздуха для системы вентиляции обеспечит нормативный воздухообмен даже в моменты максимально возможного заполнения храма людьми. Создание оптимальной системы отопления и вентиляции храма — это еще один важный аспект в решении вышеперечисленных проблем. Перспективным вариантом на сегодняшний день является система воздушного отопления. В ходе исследований был предложен вариант, когда внутреннее пространство храма обогревается приточными нагретыми струями, которые также обеспечивают необходимый воздухообмен в храме, в зависимости от количества посетителей, и подаются снизу вверх из напольных щелевых решеток.
По периметру средней части храма предлагается запроектировать зоны теплого пола, для того, чтобы обеспечить равномерный прогрев здания и предотвращения обмерзания внутренней поверхности наружных стен и выпадения на ней конденсата. При этом, в самом пространстве храма отсутствуют отопительные приборы в виде радиаторов или трубопроводов, что улучшает его внешний вид, а вытесняющие приточные вентиляционно-отопительные струи обеспечивают надлежащий теплои воздухообмен именно в рабочей зоне храма.
Приточные струи расположены по периметру колонн между колонной и стойкой со свечами и подаются двумя частями. Одна, меньшая часть струи подается вертикально вверх, настилаясь на колонну и защищая ее поверхность от конвективных потоков от свечей, другая подается горизонтально, настилаясь на пол, обеспечивая нормируемые параметры в рабочей зоне. Вертикальная составляющая подающей струи рассчитывалась по методике, описанной [4, 5].
Струя рассматривалась как воздушный фонтан, на который действуют гравитационные силы. Степень влияния на струю гравитационных сил оценивалась при помощи чисел подобия Аr, Gr и Re. Согласно заданным условиям (площадь щели решетки, начальная температура и скорость выхода струи из решетки, температура воздуха в помещении), было определено, что вертикальный воздушный поток безотрывно настилается на колонну и не попадает в рабочую зону, унося конвективные потоки от свечей, попадая в купол и удаляясь через вытяжные оконные вентиляторы, защищая поверхность колонны.
Горизонтальная составляющая подающей струи рассчитывалась по методике, предложенной [2]. В ходе расчетов было выяснено, что горизонтальные струи обеспечивают нормируемые параметры в рабочей зоне храма. Щелевые решетки для вертикальной и горизонтальной струи располагаются на камере статического давления, которая обеспечивает наиболее равномерное распределение воздуха между двумя решетками.
Для того, чтобы понять, является ли данная схема воздухообмена оптимальной для решения поставленных задач (организация нормируемых параметров микроклимата, защита ограждений от копоти и образования конденсата), был рассмотрен характер тепловых потоков, образующихся от горящих свечей. Зная скорость теплового потока и его температуру, можно будет судить о том, сможет ли вертикальная струя приточного воздуха отклонить поток от ограждения и направить его в центральную часть для естественного удаления.
Расчет проводился по методике [5] с использованием корректирующих коэффициентов. Естественные конвективные потоки полностью зависят от гравитационных сил. Для естественной конвективной тепловой струи начальный импульс и начальное избыточное теплосодержание равны нулю. По предложенным формулам был определен текущий кинематический импульс и, в результате, были определены скорости естественного теплового потока в различных осевых точках.
Полученные теоретические результаты были подтверждены экспериментом. Экспериментальные значения скоростей отличаются от теоретических не более 7 %. Таким образом, в результате проведенных теоретических и эмпирических исследований было достигнуто следующее. Рассмотренные приточные струи имеют начальную скорость, обеспечивающую нормируемый уровень шума в рабочей зоне и препятствующую попаданию пыли в щель решетки.
Также они имеют практически постоянную температуру в течение года и времени суток, что благоприятно сказывается как на самочувствии прихожан, так и на внутренней отделке храма. Вертикальная составляющая подающей струи отклоняет тепловой поток от свечей в сторону центрального восьмерика, где наблюдается наибольшая естественная тяга, что способствует естественному удалению загрязненного воздуха. Это помогает сохранить внутреннюю отделку храма.
Предусмотренная зона теплого пола выполняет несколько функций: помогает достичь нормируемой температуры внутреннего воздуха, обеспечивает равномерный прогрев храма и предотвращает обмерзание внутренней поверхности его наружных стен. Разработаны режимы работы автоматизированной приточной установки, обеспечивающей необходимое количество теплого или холодного воздуха, что позволяет существенно сэкономить энергетические ресурсы.
Предложенная схема вентиляции позволяет устранить большинство вышеуказанных недостатков и существенно улучшить микроклимат в храме. Не смотря на то, что в исследовании рассматривались определенные храмы, а все расчеты проводились с учетом их исходных данных (размеры, вместимость, объемно-планировочные решения), основные описанные принципы можно применять для проектирования и других православных храмов и культовых сооружений.
