Опыт и перспективы применения отопления в церковных зданиях — памятниках архитектуры

При разработке систем отоплении памятников архитектуры, в том числе и церковных зданий, постоянно конкурируют два подхода — подход специалистов по отоплению и подход архитекторов-реставраторов.

Разница в этих подходах видна из следующих цитат.

А. ...Помимо разнообразных факторов, влияющих на устройство отопительно-вентиляционных систем в сооружениях культовой архитектуры, одним из важнейших является создание благоприятных климатических условий, позволяющих использовать их (здания. — авт.) в качестве зданий музейного, церковного или церковно-музейного назначения. Создаваемые системы должны обеспечивать необходимые параметры в помещениях с учетом режима, свойственного их назначению [1].

Б. ...нужно менять температуру и относительную влажность воздуха внутри здания таким образом, чтобы «компенсировать» воздействие внешнего климата, то есть снизить тепломассоперенос через конструкции (материалы). Такой подход, во-первых, предполагает системное рассмотрение сохраняемого памятника архитектуры во взаимодействии с окружающей средой (климатом данной местности), а во-вторых, изменяет традиционное понятие «ограждающей конструкции». Мы уже должны рассматривать ее не только как элемент, обеспечивающий заданный микроклимат помещения, но и как объект, подлежащий сохранению [2].

Подчеркиванием выделены приоритеты в их подходах (А. — специалист по проектированию систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, Б. — специалист по сохранению памятников архитектуры). Для сближения этих подходов делается многое — при составлении технического задания на проектирование указываются параметры воздуха, при которых параметры микроклимата пригодны не только для целей функционирования здания, но создают тепловлажностные воздействия на конструкции, обуславливающие минимальные напряжения в материалах конструкций, выдвигаются требования по расположению приборов отопления, создающих минимальные воздействия на конструкции [3].

Но — приоритеты есть приоритеты. И те системы поддержания микроклимата в различных соборах, установленные во второй половине XX в., с которыми приходилось работать авторам данной статьи, как правило, все-таки нацелены на поддержание микроклимата, а не на сохранение памятника.

В настоящей работе рассматриваются примеры отопления трех соборов, при создании которых приоритетом было сохранение памятника, а не обеспечение параметров микроклимата, пригодного для функционирования памятника в качестве музея или церкви.

1. Спасо-Преображенский собор Мирожского монастыря XIIв.

В соборе свыше 20 лет существует система ограниченного подогрева. В 90-х гг. XX в. специалистами ГосНИИР, НИИСФ и других организаций были проведены большие работы по совершенствованию данной системы. В настоящее время система отопления состоит из шести масляных радиаторов, при расположении которых минимизировались градиенты температурных полей на поверхности живописи и обеспечивалась удовлетворительная равномерность распределения параметров по отдельным объемам собора. При исследованиях ограждающих конструкций собора для выбора мощности и расположения нагревательных приборов был использован разработанный специалистами НИИСФ и ГосНИИР комплексный неразрушающий метод изучения пространственных и временных полей температуры и влажности конструкций [4, 5]. Метод основан на применении диэлькометрического влагомера и тепловизора. При помощи этого метода были определены недостатки существовавшей ранее системы отопления из четырех горизонтальных электронагревателей и оптимизировано расположение новых нагревателей.

2. Собор Рождества Богородицы Ферапонтова монастыря

На основе результатов многолетних натурных исследований и теоретических разработок были предложены параметры (температура внутреннего воздуха) и принципиальная схема щадящего обогрева помещений центрального комплекса памятника, направленные, прежде всего на сохранение всемирно известных фресок знаменитого древнерусского живописца Дионисия [6].

На основании этих предложений в 2002-2003 гг. был разработан и реализован (в теплотехнической части) комплексный проект реставрации системы обогрева, направленный на сохранение памятника.

Для нормализации температурно-влажностного режима необходимо было решить следующие задачи:

• обеспечить снижение общего уровня влажности северо-западной части собора;

• устранить сезонное увлажнение конструкций конденсатом.

Эти задачи необходимо было решить с двумя дополнительными, но очень важными условиями:

• во-первых, исключить возможность выхода влаги со стороны настенных росписей;

• во-вторых, скорость миграции влаги должна быть минимальной, чтобы избежать усадочно-деформативного разрушения материалов стенописи.

Одно из возможных решений заключалось в поддержании температурного градиента в ограждающих конструкциях памятника, при котором температура в соборе должна на 1-2°С превышать температуру окружающих помещений. При этом для избежания «пересушки» внутренних поверхностей стен собора (материалов слоя настенных росписей) необходимо в холодный период года поддерживать в соборе температуру 3—5°С. В 2001 г. для решения этих задач были разработаны рекомендации, направленные на перевод соборного комплекса в режим ограниченного (щадящего) обогрева [7].

В связи с особыми требованиями по поддержанию температурного режима в Рождественском соборе и примыкающих к нему паперти, галерее и ризнице был выбран наиболее целесообразный вид отопления — электрический. Это исключало прокладку трубопроводов с теплоносителем, возможность протечек, угрозу замораживания системы водяного отопления при низких температурах наружного воздуха и давало возможность поддержания требуемого режима t_BH = 3—5°С (при теплоносителе-воде температура внутреннего воздуха не может быть ниже 10°С). Исходя из вышесказанного, в соборе было решено делать «теплый пол», а в остальных помещениях — прямой обогрев с помощью электрических отопительных приборов.

3. Дмитриевский собор г. Владимира

Система электроотопления, реализующая так называемый «ограниченный подогрев», работает в памятнике с 1999 г. по настоящее время (2004 г.).

Однако работы по нормализации ТВР памятника были начаты гораздо раньше совместными усилиями музейных работников, реставраторов, теплофизиков, микробиологов. Исследования тепловлажностных процессов в соборе, последовательное осуществление архитектурно-строительных мероприятий, кропотливая работа музейных хранителей позволили подготовить памятник к введению ограниченного подогрева, обоснованному выбору его параметров и схемы.

В истории Дмитриевского собора был период, когда он отапливался системой калориферного отопления — это несколько десятилетий в конце XIX — начале XX в. К сожалению, мы не располагаем данными о состоянии ТВР воздушного объема и конструкций в этот период. В течение XX в. собор претерпел ряд ремонтов. В связи с аварийным состоянием собора в 1940-1950 гг. были проведены противоаварийные работы по устройству металлических и железобетонных связей и замене разрушающихся белокаменных блоков в кладке собора. При этом в конструкции памятника было внесено большое количество известково-цементного и цементного растворов.

Масштабное присутствие цемента изменило теплозащитные качества конструкций, изменило механизмы переноса влаги в конструкциях собора. Следствием этого стала интенсификация процессов солевого и биологического разрушения белого камня. В соборе применялись "и применяются методы борьбы с разрушением белого камня — укрепление, антисептирование, гидрофобизация и т. п. Эффективность этих методов не всегда бесспорна, что рассматривается нами ниже.

В начале 1980-х гг. в соборе была проведена антимикробная обработка белого камня и кладочных растворов специальными составами, предназначенными для реставрации белого камня, заполнены образовавшиеся каверны и защищена поверхность камня от переувлажнения с помощью гидрофобного покрытия. Однако через короткое время в нижней части стен и столбов появились признаки отслаивания покрытия вместе с частицами камня, появились налеты водорастворимых солей, а микробиологические анализы выявили высокую численность гетеротрофных микроорганизмов и те же доминирующие формы, что и до начала реставрационных работ.

На основании результатов исследований микроклимата собора было установлено, что одной из главных причин переувлажнения строительных конструкций собора являлось конденсационное увлажнение.

Признаки деструкции камня появились после окончания реставрационных рябот через два-три года, потому что условия для образования конденсата на строительных материалах в соборе остались неизменными или даже стали более благоприятными. Образовавшаяся на гидрофобизированной поверхности вода стекала на пол и увлажняла нижнюю часть столбов и стен, которые были не защищены гидрофобным покрытием, часть влаги впитывалась через дефекты покрытия (они могли образоваться вследствие статических нагрузок на конструкции собора). В Дмитриевском соборе, как показали проведенные исследования, период времени, когда происходит образование конденсата в нижней части собора, был достаточно продолжителен, а условия для его высыхания в это время практически отсутствуют. В результате почти вся конденсационная влага поглощалась конструкциями. В процессе высыхания строительных материалов вода и растворенные в ней соли просачиваются через дефекты покрытия, вызывают его отслоение вместе с верхним слоем камня и разрушение кладочных растворов. Если разрушение гидрофобного покрытия на открытом воздухе происходит примерно в течение пяти-шести лет, то в интерьере Дмитриевского собора разрушение гидрофобного покрытия произошло значительно быстрее.

Таким образом, защита и гидрофобизация белого камня при существующем ТВР (в отсутствие отопления и при неконтролируемой фильтрации холодного воздуха) не приносили пользы собору, а зачастую и интенсифицировали поверхностное разрушение материалов.

По результатам исследований в 1990-х гг. был внедрен режим эффективного проветривания, что позволило уменьшить выпадение конденсата на внутренних поверхностях собора — следовательно, уменьшилось влагосодержание конструкций.

На основе рекомендаций, полученных при выполнении исследований, были выполнены в 1999 г. следующие мероприятия:

• спроектированы и установлены новые оконные заполнения с высокими теплозащитными и воздухозащитными характеристиками;

• в юго-западном и северо-восточном оконных проемах барабана установлены аэрационные устройства «клапаны-хлопушки»;

• установлены приборы электроотопления;

• начато отопление собора в режиме ограниченного подогрева.

Уже первые два года эксплуатации системы отопления показали значительное улучшение влажностного режима конструкций, что было подтверждено неразрушающими исследованиями влагосодержания материалов при помощи диэлькометрического влагомера.

Рассмотренные три примера отопления древних соборов позволяют сделать вывод, что если введению отопления в памятниках архитектуры предшествуют объемные исследования тепловлажностного режима конструкций, микробиологического состояния материалов и ТВР воздушной среды, то результаты включения отопления способствуют созданию условий длительной сохранности памятника, настенной живописи и предметов интерьера.

К сожалению, примеров неподготовленного внедрения отопления в церковных зданиях и отрицательных последствий от такого внедрения гораздо больше.

Примечания

1.     Я. Г. Кронфельд. Принципы устройства систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, тепло- и холодоснабжения в зданиях культовой архитектуры // АВОК. 2000. № 1.

2.     Б. Т. Сизов. Теплофизические аспекты сохранения памятников архитектуры // АВОК. 2002. № 1. С. 24.

3.      Микроклимат церковных зданий. М., 2000.

4.     В. Б. Дорохов, А. В. Зотов. Применение неразрушающих методов для исследования ТВР ограждающих конструкций Спасо-Преображенского собора Мирожского монастыря // Земля Псковская, древняя и современная. Научно-практическая конференция. Псков, 1990.

5. А. В. Зотов, В. Б. Дорохов. Опыт применения неразрушающих методов контроля темпе-ратурно-влажностного режима ограждающих конструкций памятников архитектуры. Музейное хранение и оборудование. Экспресс-информ. М., 1991. С. 24—30.

6.     Н. С. Краснощекова, С. Б. Куликов, Б. Т. Сизов, Е. В. Шейнин, Е. Н. Шелкова. Нормализация температурно-влажностного режима Рождественского собора Ферапонтова монастыря // АВОК. 2004. № 4.

7.     Б. Т. Сизов. Мониторинг температурно-влажностного режима памятников архитектуры (на примере Рождественского собора Ферапонтова монастыря) // АВОК. 2003. № 2.