science-review.ru
Учитывая современное активное восстановление и строительство новых православных храмов, следует уделить особое внимание созданию и поддержанию требуемых параметров микроклимата в помещениях этих сооружений. Для этого необходимо применять рациональные и эффективные системы отопления и вентиляции. Стоит отметить, что естественная вентиляция в православных храмах обладает рядом преимуществ по сравнению с механической.
1. Невысокая стоимость установок, а также стоимость их монтажа и обслуживания
2. Системы аэрации позволяют за счет саморегуляции снизить требуемую мощность системы отопления на 7-10%
3. Системы естественной вентиляции не потребляет электрической энергии.
Однако для расчета систем естественной вентиляции в православных храмах требуется знание некоторых величин, индивидуально определяемых для каждого культового сооружения.
Условно, все проводимые исследования для определения данных величин можно разделить на две категории:
1) исследования внешней аэродинамики
2) исследования внутренней аэродинамики
При исследовании внешней аэродинамики важную роль играют аэродинамические коэффициенты, зависящие от геометрических параметров культовых сооружений и определяемые экспериментальным путем для каждого православного храма индивидуально.
При исследовании внутренней аэродинамики следует учитывать мощность системы отопления, количество прихожан и свечей, а также расположение отопительных приборов и оконных проемов в наружных стенах храмов.
Для определения аэродинамических коэффициентов нами были испытаны в аэродинамической трубе четыре культовых сооружения, расположенные в Нижнем Новгороде, которые отличаются друг от друга геометрическими параметрами и архитектурными стилями: церковь Жен-Мироносиц 1649 г. на ул. Добролюбова, Крестовоздиженский храм 1823 г. на площади Лядова, Рождественская церковь 1653 г. на улице Рождественской, Спасо-Преображенский собор 1903 г. в Сормово.
Аэродинамические коэффициенты определяются для оконных проемов, в которых могут располагаться приточные и вытяжные фрамуги. Согласно исследованной литературе [1,2,3] наиболее оптимальным вариантом расположения приточных и вытяжных отверстий в православных храмах является нижний ярус оконных проемов и оконные проемы в барабанах соответственно. Однако такой подход для церкви Жен-Мироносиц не пригоден, ввиду отсутствия во всех пяти барабанах отверстий. Таким образом, в качестве вытяжных отверстий в рассматриваемом православном храме можно принять верхние ярусы окон.
В Крестовоздвиженском храме стоит отметить наличие куполов не соединенных с молельным залом (фальшкупола), что делает невозможным осуществление через них воздухообмена. Только центральный барабан соединен с молельным залом.
В Рождественской церкви, при исследовании внешней аэродинамики нельзя не учесть особенности рельефа, а также колокольню, соединенную с храмом одним ярусом. Отверстия выполняются только в основной части храма. Стоит отметить, что в Рождественской церкви все барабаны соединены с молельным залом, и окна в барабане над алтарем так же могут выполнять роль вытяжных отверстий. Однако, в отличие от Крестовоздвиженского храма, барабаны Рождественской церкви близко расположены друг к другу, что существенно ограничивает количество оконных проемов, которые можно эффективно использовать в качестве вытяжных отверстий. С другой стороны, так как все барабаны соединены с молельным залом, то количество оконных проемов для размещения вытяжных отверстий значительно превышает их количество в Крествоздвиженском храме, что позволяет рассмотреть различные варианты по размещению вытяжных отверстий.
В Спасопреображенском соборе форма барабанов отличается от Крестовоздвиженского собора и Рождественской церкви, в основании которых не восьмерик, а шестнадцатиугольник. В боковых барабанах для вытяжных отверстий доступно 9 оконных проемов, причем стоит отметить, что в этом храме оконные проемы практически не перекрываются другими барабанами или иными конструкциями (исключением является западный барабан, перекрываемый колокольней).
Все модели были выполнены с учетом критериев подобия из 2-х мм пластика, дренированы трубками в характерных точках расположения оконных проемов и испытаны в замкнутой дозвуковой аэродинамической трубе с открытой рабочей областью при восьми направлениях ветра.
Рис. 1. Исследование внешней аэродинамики Рождественской церкви.
По результатам исследований были построены аэродинамические характеристики зданий в виде диаграммы распределения давлений ветра на поверхности изучаемого сооружения при различных направлениях ветрового потока [3,4,5,6].
Рис 2. Диаграмма изменения аэродинамических коэффициентов при северо-западном направлении ветра для Церкви Жен-Мироносиц с наветренной стороны.
Полученные значения аэродинамических коэффициентов могут быть использованы для расчета систем естественной вентиляции, как исследованных храмов, так и схожих с ними по размеру и стилю. Поскольку храмы были испытаны по восьми направлениям, результаты могут быть использованы для любых климатических зон.
Такие величины как тепло и влаговыделения от людей и свечей могут быть определены по справочной литературе [1]. Для каждого храма будут изменяться следующие параметры:
1. Объем молельного зала и другие геометрические параметры храма.
2. Мощность систем отопления.
3. Количество прихожан (минимальное, среднее количество, максимальное).
4. Количество свечей (в зависимости от количества прихожан).
Неизвестными также остаются значения скоростных и температурных полей у внутренних поверхностей наружных стен. Стоит отметить, что всего существует четыре варианта расположения оконных проемов и отопительных приборов на наружной стене [7]:
а) присутствуют отопительный прибор и окно
б) присутствует только окно
в) и окна и прибор отсутствуют
г) присутствует только отопительный прибор
В характерных точках по вертикали внутренних поверхностей наружных стен молельного зала храма, «Вознесения господня» на улице Ильинской в Нижнем Новгороде были проведены замеры температурных полей с помощью инфракрасного термометра Raytek Raynger ST20. В начальных точках (на высоте до 2 м от уровня пола) измерены температурные и скоростные поля воздуха с помощью термоанемометра ТТМ-2/1-06-2А.
У стены без окон температура воздуха достигала 18,6 ºC, скорость принимала значения от 0,05-0,2 м/с. Над отопительным прибором (рядом с окном) температура воздуха составила 20,1 ºC, а скорость воздуха – от 0,14-0,32 м/с. В случае с отдельно стоящим отопительным прибором температура воздуха составила 21,5 ºC, а скорость достигла 0,37 м/с.
Рис. 3. Зависимость температуры поверхности наружной стены в православном храме от высоты при различных вариантах расположения окон и отопительных приборов.
Результаты исследования температурных полей внутренней поверхности представлены в графической форме на рис. 3. Из графика видно, что области самых низких температур приходятся на оконные проемы. На небольшом расстоянии от отопительного прибора (0,5 м) происходит резкое падение температуры до значений, как в случае со стеной без окон или даже ниже.
Православные храмы, в отличие от зданий общегражданского назначения имеют ряд конструктивных особенностей, которые влияют на тепломассообменные процессы, происходящие внутри их помещений.
При проектировании систем естественной вентиляции в православных храмах следует в первую очередь обращать внимание на наличие или отсутствие перегородок между молельным залом и барабаном. Приточные фрамуги размещаются в нижнем ярусе окон, вытяжные в оконных проемах барабанов, если перегородка отсутствует и в верхнем ярусе оконных проемов, если перегородка имеется.
Расчет систем естественной вентиляции рекомендуется производить для 3 расчетных периодов года: теплого, переходного и холодного при различной заполняемости храма людьми (минимальной, средней и максимальной). Как показывает практика, значения площадей приточных и вытяжных фрамуг максимальны в летний период при полной заполняемости храма людьми.