При строительстве или восстановлении культовых сооружений основное внимание, как правило, уделяется вопросам архитектурного сохранения исторического наследия либо существующих традиций в новых зданиях данного назначения. Часто при принятии решений по строительной части проектируемых или восстанавливаемых сооружений на первых этапах не уделяется достаточного внимания конструктивному исполнению инженерных систем.
Такая ситуация приводит к изменениям и переносам инженерного оборудования, а также к проблемам в обеспечении микроклимата помещений, а впоследствии и в тепловлажностных режимах наружных ограждений, негативно отражающихся на дальнейшей эксплуатации зданий.
Соборы, храмы и церкви, являясь высшем уровнем развития зодчества и национальной культуры строительства, в историческом прошлом русского православия возводились с применением передовых инженерных решений и новых технологий. Куполообразная, оптимальная с точки зрения ветровой нагрузки и теплопотерь форма крыши, значительная толщина наружных ограждений, способствующая их долговечности и минимальному расходу топлива в отопительный период, рациональное сочетание усиливающей и приглушающей акустики, эффективная естественная вентиляция, организованная с учётом конвективных потоков воздуха.
Всё перечисленное было направлено на создание сооружений, поражающих возвышенностью и массивностью, великолепием и красотой, теплотой зимой и прохладой жарким летом.
Применяемые технические решения в первую очередь основывались на требуемой вместимости храмов, то есть на возможном присутствии при совершении праздничных литургий максимального количества людей. Ранее этот показатель в пересчёте на одного человека принимался от 0,25 до 0,6 м². Общепринятой в церковном строительстве норма площади на человека составляла 0,3 м².
Крайне редким явлением бывает переполненность храмов, которая характерна для толпы, тогда индивидуальная площадь прихожан может сократиться до 0,17 м². Все перечисленные значения площадей имеют заниженное ограничение, что в конечном итоге не способствует комфортному пребыванию на литургии. В настоящее время нормативный показатель индивидуального объёма для человека в храме составляет не менее 4 м³ [1], что при стандартном размере рабочей зоны соответствует площади 2 м².
Однако приведённое значение регламентируется с учётом высоты помещений и при строительстве, казалось бы, устраняет при плотной заполняемости проблему дискомфорта, в том числе и температурно-влажностного характера, но в густонаселённых районах при небольшом количестве церквей окончательно её не решает. Поэтому восстановление, реконструкция и новое строительство культовых сооружений требует решения наряду с архитектурно-строительными и теплофизических задач, а главное, их взаимоувязку.
Среди факторов, оказывающих влияние на параметры микроклимата в помещениях соборов и храмов, следует отметить основные: климатические условия эксплуатации сооружений, аэродинамика церквей и сложных строительных конструкций, сопротивление теплопередачи наружных ограждений, расположение отопительных приборов и регулирование теплоотдачи, наличие систем естественной и механической вентиляции, а также кондиционирования воздуха, количество прихожан, число зажжённых свечей и лампад.
Достаточно значительное влияние на микроклимат помещений оказывают оконные проёмы, основное назначение которых состоит в подержании требуемой освещённости и возможности визуального контакта с окружающей средой. Посредством открытия створок окон может быть обеспечен неорганизованный воздухообмен [2–4], необходимый для проветривания либо поступления свежего наружного воздуха при значительном количестве присутствующих людей. Площадь остекления в храмах, как правило, составляет 2–3% в соотношении к ограждающим конструкциям, поэтому влияние в летние месяцы солнечной радиации, проникающей через окна, на тепловой баланс помещений незначительно [5].
Все перечисленные факторы в совокупности формируют температурновлажностные режимы храмов и церквей, которые необходимо поддерживать на заданном уровне [6], комфортном не только для прихожан, но главное для сохранности фресок и икон. Чтобы обеспечить требуемые показатели воздушной среды внутри помещений, в процессе проектирования должны быть решены и согласованы задачи и вопросы, среди которых в первую очередь следует отметить:
- установить влияние климатических воздействий на здание и возможные негативные последствия, проявляемые при длительной эксплуатации;
- спрогнозировать аэродинамику и конвекцию потоков воздуха в ограниченном объёме помещений и вне здания;
- выявить возможные изменения в закономерностях процессов теплопередачи через наружные ограждения зданий и в инженерных системах обеспечения микроклимата;
- рассмотреть режимы эксплуатации здания для регулирования работы систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, в том числе с учётом нестационарности метеоусловий и заполняемости помещений в зимние и летние периоды года;
- обосновать обеспеченность и оптимизацию микроклимата в сооружении.
Нестационарность как внешних факторов воздействия, так и внутренних условий может привести к негативным последствиям, первым проявлением которых является ухудшение показателей микроклимата, ощутимое для присутствующих людей. Это прежде всего связано с большим количеством прихожан на литургии, что по статистике может происходить один или два раза в неделю. Снижение концентрации кислорода, а также поступление избыточной теплоты и влаги происходит не только по причине присутствия людей, но и из-за обилия горящих свечей и лампад.
Потребление кислорода, теплои влаговыделения человеком, в зависимости от его возраста и рода деятельности, достаточно хорошо изучены, поэтому имеются обширные данные [7–9], позволяющие определить изменения общих показателей в зависимости от заполняемости залов. Сложность возникает в расчётах воздействия на внутреннюю среду храмов открытого пламени большого количества горящих свечей различной массы [10].
Технология производства самой популярной продукции из парафина и воска регламентирует количество производимых из 1 кг сырья свечей в зависимости от размера и веса единичных экземпляров (табл. 1) [11]. Низшая теплота сгорания парафина равна 46,81 МДж/кг [11, 12], но размеры и масса свечей в партии, выпускаемой из 1 кг, влияют на время сжигания, что приводит к различным тепловыделениям в пересчёте на единицу продукции (табл. 2). Кроме того, при сгорании 1 кг парафина образуется 1,3 кг/кг влаги и 1650 л/кг углекислого газа [11, 12].
Поскольку сведения по времени сжигания имеются для наиболее широко используемых в церковном служении номеров свечей (табл. 1), то, аппроксимируя указанные данные в пересчёте на единичную продукцию и получая нижеприведённые зависимости, можно определить тепло-, влаго- и газовыделения по массе продаваемых в храмах свечей:
q = 23,074 + 13,681m — 0,938m² + 0,0207m³, (1)
g = 2,7126 + 1,218m — 0,0778m² + 0,0016m³, (2)
gCO2 = 2,9776 + 1,7145m — 0,1167m² + 0,0026m³, (3)
где q — тепловой поток от горящей свечи, Вт; g — влага, выделяемая при горении одной свечи, г/ч; gCO2 — количество углекислого газа, образующегося при горении одной свечи, л/ч; m — масса свечи, г.
Для того чтобы оценить влияние на микроклимат возможное увеличение количества прихожан и, соответственно, горящих свечей во время литургии, рассмотрим прогноз по заполняемости для реконструируемого храма Иоанна Предтечи при Покровском соборе в городе Воронеже (фото 1, рис. 1 и 2).
Примем несколько вариантов численности прихожан на литургии в соответствии с табл. 3.
Заполняемость, равная 100%, определена с учётом нормативного индивидуального объёма 4 м³ [1] на человека. В этом случае при средней высоте потолка зала на одного человека приходится 0,79 м² площади пола. При переполненном храме, соответствующем 150%, на одного человека приходится 0,52 м² площади пола, что, как правило, происходит не чаще десяти раз в год.
Количество свечей, приведённое в табл. 3, принято из расчёта, что каждый человек в среднем покупает по четыре свечи с номерами, в общей сумме определяемыми в процентном соотношении: №20–5%, №40–15%, №80–20%, №120–25%, №140–35%.
Тепловыделения от свечей можно определить в зависимости от количества подсвечников и гнёзд в них [4]. Условно примем, что количество оборудования позволяет установить все приобретаемые свечи и, поскольку сведений по теплотворной способности воска отсутствуют, будем считать, что в основном приобретается парафиновая продукция.
Тогда тепло-, влаго- и газопоступления от горящих свечей можно определить:
где Qсв, Gсв и GCO2св — тепло-, влаго- и газопоступления от горящих свечей, соответственно, Вт, г/ч и л/ч; qi, gi и gCO2i — тепло-, влаго- и газовыделения от одной горящей свечи определённого номера, соответственно, Вт, г/ч и л/ч; ni — количество свечей одного номера, шт.
Учитывая принятую статистку покупки свечей, теплои влаговыделения можно рассчитать по укрупнённым показателям в зависимости от численности людей по выражениям, аппроксимирующим расчётные данные табл. 3:
Q = 356,93N — 3,6633. (7)
G = 0,0764N — 0,0003, (8)
где Q и G — теплои влагопоступления от людей и горящих свечей, Вт и кг/ч; N — количество людей в храме.
Выбранная пропорциональность заполняемости зала и покупаемых свечей не изменяет угол наклона на i-d-диаграмме тепломассообменных процессов в зале для тёплого периода года (рис. 3), но влияет на температуру удаляемого воздуха.
Полученные расходы воздуха (табл. 3), рассчитанные на ассимиляцию теплоизбытков, значительно превышают требуемые по санитарным нормам.
Так, при 100% заполняемости храма расход воздуха превышает минимально необходимый в 3,7 раза, а учитывая, что реконструируемые и восстанавливаемые храмы не имеют ниш, где можно проложить воздуховоды достаточно значительного сечения, такую схему ассимиляции вредных компонентов процесса горения свечей невозможно реализовать.
Поэтому целесообразно устанавливать сплити мультисплит-системы кондиционирования воздуха (рис. 2), а при необходимости, в случае большого числа прихожан, осуществлять проветривание.
Подбор внутренних и наружных блоков следует выполнять по предварительно определённым теплопоступлениям по формуле (7), при условии не более 75% заполняемости храмов, поскольку мощность оборудования, необходимая для 100%-й численности людей, может быть более чем в полтора раза выше, но она крайне редко бывает востребована.
