Статья ВАК: Исследование инженерных систем и температурно-влажностного режима помещений Дома архитектора Мельникова

Введение

Одноквартирный жилой дом-мастерская, спроектированный выдающимся российским архитектором Константином Мельниковым для себя и своей семьи, был построен в 1927–1929 годах в Москве в Кривоарбатском переулке.

Дом Мельникова представляет собой двухи трёхэтажное кирпичное строение с лёгкими деревянными перекрытиями, имеет подвал под частью первого этажа, состоит из двух врезанных друг в друга цилиндрических объёмов (фото 1, рис. 1). Благодаря особенностям объёмно-планировочного и конструктивного решений Дом-мастерская архитектора К. С. Мельникова является всемирно известным памятником советского авангарда и рационализма в архитектуре [1–3].

В настоящее время здание находится в ведении Государственного музея архитектуры им. А. В. Щусева. Намечена его реставрация, поскольку техническое состояние дома оценивается специалистами как неудовлетворительное [3, 4].

Коллектив исследователей, состоящий из преподавателей, сотрудников и аспирантов Национального исследовательского Московского государственного строительного университета, в 2018 году провёл полное обследование совмещённых систем отопления и вентиляции, а также выполнил работы по исследованию температурно-влажностного режима помещений Дома Мельникова.

В статье приведены основные результаты обследования совмещённых систем отопления и вентиляции, а также данные, полученные по результатам исследований температурно-влажностного режима Дома Мельникова. Предполагается, что результаты данных исследований будут учтены при разработке проекта реконструкции этого памятника архитектуры [5, 6].

Представлены результаты технического обследования систем отопления и вентиляции, а также исследования температурно-влажностного режима помещений при функционировании совмещённых систем отопления и вентиляции объекта.

На основании выборочного визуального и инструментального обследования выявлены дефекты и повреждения в совмещённых системах воздушного отопления и вентиляции. Разработаны рекомендации по устранению и усовершенствованию работы систем воздушного отопления и вентиляции.

Оценка технического состояния систем произведена в соответствии с нормативами: ВСН 53–86(р) «Правила оценки физического износа жилых зданий»; ВСН 57–88(р) «Положение по техническому обследованию жилых зданий»; ВСН 58–88(р) «Положение об организации и проведении реконструкции, ремонта и технического обслуживания зданий, объектов коммунального и социально-культурного назначения»; ГОСТ 31937–2011 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния»; СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий»; СП 60.13330.2016 «Отопление, вентиляция и кондиционирование»; СП 41–101–95 «Проектирование тепловых пунктов»; Стандарт АВОК 7.7–2018. «Музеи. Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха».

Представленные расчёты выполнены на основании климатических параметров района расположения объекта культурного наследия федерального значения: «Экспериментальный жилой дом, 1927–1929 годы, арх. Мельников К. С.» в соответствии с СП 131.13330.2012 «Строительная климатология».

Методика исследований

Проведение исследований предшествовал анализ имеющихся архивных материалов и литературных источников [4].

При исследовании систем воздухораспределения температура воздушных потоков и средняя температура воздуха в помещениях здания измерялись термоанемометром. Средняя температура воздуха на выходе из воздухораспределителей определялась как среднеарифметическое по девяти точкам измерений. При этом количество и координаты точек измерений определялись в зависимости от равномерности температурного поля. Показания значений температур считывались только при установившемся тепловом режиме, причём исследователь не допускал каких-либо дополнительных воздействий на термоанемометр. Материалы фотофиксации процесса проведения измерений представлены на рис. 3.

Полученные значения температуры воздушных потоков в живых сечениях приточных или вытяжных воздухораспределительных устройств использовались для вычисления теплового потока, поступающего или удаляемого из помещения.

Величина теплового потока [Вт], поступающего в помещение или удаляемого из помещения, определялась по формуле:

Q_пр = 0,278с_вρL₀t_пр, (1)

где ρ — плотность воздушного потока в соответствующем сечении, кг/м³; L₀ — расход воздуха, м³/с; c_в — теплоёмкость воздуха, кДж/(кг·°C); t_пр — температура приточного воздуха, °C.

Тепловизионный контроль наружных и внутренних поверхностей ограждающих конструкций проводился с целью локализовать зоны конструкций с теплотехническими неоднородностями. При проведении телевизионных измерений отсутствовали атмосферные осадки, туман, задымлённость. Поверхности ограждающих конструкций в период тепловизионных измерений не подвергались дополнительному тепловому воздействию от источников освещения. Тепловизионный контроль проводился при режиме теплопередачи через ограждающие конструкции, близком к стационарному. При тепловизионном контроле использовался измерительный прибор testo 865. Результаты тепловизионного обследования распределения температур на наружной поверхности стены большого цилиндра и на внутренней поверхности помещения мастерской представлены на рис. 2 и 3.

Измерения величины теплового потока через наружные ограждающие конструкции дома проводились в холодный период года прибором ИТП-МГ4.03/10 «Поток». На фото 3 показан процесс измерения теплового потока через наружные ограждающие конструкции, температур на внутренней и наружной поверхностях исследуемых наружных ограждений дома, а также температур внутреннего и наружного воздуха.

В процессе детального обследования совмещённых систем отопления и вентиляции осуществлялись измерения скорости движения и температуры воздуха — на входе в вытяжные воздухораспределительные системы и на выходе из приточных воздухораспределительных устройств. Полученные данные необходимы для определения расхода воздуха на входе в воздухораспределительные устройства и выходе из них, а также для последующего расчёта производительности отдельных совмещённых систем воздушного отопления и вентиляции.

Кроме того, в процессе детального обследования измерялись величины теплового потока на различных участках наружных стен, значения которых необходимы для составления воздушно-теплового баланса как для отдельных помещений, так и для здания в целом.

Результаты исследований

Тепловизионный контроль наружных и внутренних поверхностей ограждающих конструкций проводился с целью локализовать зоны конструкций с теплотехническими неоднородностями. Результаты тепловизионных измерений, частично представлены в табл. 1. На основании этих данных определены теплотехнические характеристики наружных ограждающих конструкций.

На внутренних и наружных поверхностях наружных ограждающих конструкций в местах заложенных оконных проёмов температура отличается от температуры основного участка наружных стен, при этом сопротивление теплопередаче заложенных участков стены на 30–40% превышает величину сопротивления теплопередаче однородного участка стены.

В конструкциях наружных ограждений дома существуют различного рода теплотехнические неоднородности.

Конструктивной особенностью данного здания является наличие большого количества (128) проёмов. Половина из этих проёмов — это окна. Остальные проёмы, не используемые в качестве окон, заложены. С внутренней стороны проёмы заложены кирпичом, поверхность оштукатурена. Снаружи проёмы заложены кирпичом или закрыты деревянными щитами и также оштукатурены. Внутри засыпка в виде глинисто-песчаной смеси. В настоящее время это порошок коричневого цвета, состоящий из частиц песка, покрытых слоем глины. Во вскрытии юго-восточной стены прихожей — заполнение проёма в виде частиц песка и извести.

Значения приведённого сопротивления теплопередаче участков конструкций дома-мастерской, полученные по замеренным величинам тепловых потоков, приведены в табл. 2.

В процессе обследования выявлены выходы некоторых горизонтальных отводов на этажах, которые заделаны и не используются. Действующие стальные воздуховоды, а также приставные каналы (горизонтальные участки стальных воздуховодов внутри дома) совмещённых систем вентиляции и воздушного отопления, а также внутристенные воздуховоды вытяжных систем загрязнены пылью, сажей, строительным мусором и раствором (фото 4).

Для натурных измерений температуры внутреннего воздуха, относительной влажности внутреннего воздуха, температуры наружного воздуха и относительной влажности наружного воздуха в режиме мониторинга применялся регистратор данных для долгосрочных измерений testo 175-H1, который позволяет измерять температуру и влажность воздуха через заданный интервал времени и запоминать во встроенной памяти 48 тыс. измерений.

Изменение внутренней температуры и относительной влажности воздуха в помещениях гостиной, столовой и мастерской в марте 2019 года представлены в табл. 3.

Следует отметить, что в холодный период года температура воздуха по отдельным помещениям распределяется неравномерно. В тёплый период года наблюдается неравномерность распределения температуры по этажам: температура воздуха на верхних этажах выше температур на первом этаже. Таким образом, температурный режим в здании в течение всего года нестабилен и большей частью не соответствует требованиям.

Относительная влажность воздуха внутри помещений в тёплый период года находится в пределах от 65 до 40%, в переходный период — от 45 до 30%, в холодный период года — от 45 до 20%.

В тёплый и переходный периоды года такой диапазон изменений влажности внутри помещений объясняется тем, что она полностью зависит от влажности наружного воздуха. В холодный период года значения относительной влажности помещений очень низкие. Проветривание в условиях холодного периода года приводит к ещё большему понижению относительной влажности внутреннего воздуха, так как для наружного воздуха в этот период характерна низкая абсолютная влажность.

Выводы

Существующие системы воздушного отопления и вентиляции дома выполнены по разработкам К. С. Мельникова и функционируют по настоящее время. Наиболее существенные изменения в системе отопления произошли в 1957 году, когда в тепловой камере, расположенной в подвале дома, первоначально установленная печь — калорифер, в которой для нагрева воздуха использовалось твёрдое топливо, была заменена на калорифер из стальных труб с подключением его к сети теплоснабжения города.

В процессе детального обследования систем вентиляции и отопления получены данные о скорости движения и температуре воздуха на входе в вытяжные воздухораспределительные системы и на выходе из приточных воздухораспределительных устройств. По этим данным определён расход воздуха на входе в воздухораспределительные устройства и выходе из них, а также выполнен расчёт производительности отдельных совмещённых систем воздушного отопления и вентиляции.

Измерены величины теплового потока на различных участках наружных стен, значения которых использованы для составления воздушно-теплового баланса как для отдельных помещений, так и для здания в целом.

По результатам проведённых измерений следует, что количество воздуха, подаваемого в помещение, зависит от температуры воздуха после воздухонагревательной системы (степень нагрева воздуха от регистров из гладких труб). При этом количество удаляемого воздуха зависит от температуры наружного воздуха: чем ниже температура наружного воздуха, тем больше воздуха удаляется из помещения. При тепловизионном обследовании дома теплопроводные включения, свидетельствующие о дефектах утепления или скрытых дефектах ограждающих конструкций, не выявлены.

На внутренней поверхности стен в местах заложенных оконных проёмов температура отличается от температуры участков стен со сплошной кладкой, при этом сопротивление теплопередаче заложенных участков стены превышает на 30–40% величину сопротивления теплопередаче основного участка стены. Зоны прохода тепловых каналов в полах и стенах характеризуются повышенным нагревом ограждающих конструкций. Изоляция тепловых каналов либо отсутствует, либо недостаточна.

В результате закладки конструктивных проёмов (общая площадь составляет 64 шт. × 0,79 м²/шт. = 50,5 м²) в здании образовались фрагменты ограждающих конструкций с повышенной величиной сопротивления теплопередаче. Увеличение эквивалентной величины сопротивления теплопередаче наружных стен приводит к уменьшению теплопотерь здания, что в результате ведёт к уменьшению требуемой мощности системы отопления. При этом невозможность регулирования мощности регистров приводит к избыточному повышению температуры в помещениях здания.

Анализ результатов измерения температуры и влажности внутри помещений, полученных при настоящем обследовании дома, а также данных предыдущих многолетних исследований, переданных заказчиком, показал, что относительная влажность воздуха внутри помещений в холодный период года находится в пределах от 45 до 20%, в переходный период — от 45 до 30%, а в тёплый период года — от 65 до 40%.

Совмещённая система воздушного отопления и вентиляции не обеспечивает требуемую величину относительной влажности в приточном воздухе в холодный период года. Существует необходимость предусмотреть дополнительные мероприятия по увлажнению приточного воздуха.

Одновременное применение процессов увлажнения и нагрева приточного воздуха в совмещённой системе воздушного отопления и вентиляции даст возможность получения заданных параметров микроклимата в помещениях рассматриваемого здания.