В рамках мероприятия с докладом «Ознакомление с комплексным исследованием Большого собора ансамбля Донского монастыря (г. Москва, Донская площадь, д. 1 стр. 12)» выступил руководитель отдела Технического обследования группы компаний «ГОРКА» Гадиев Дмитрий Адылевич.
В 2021 году специалистам группы компаний «ГОРКА» поручили обследовать центральный собор ставропигиального Донского мужского монастыря Русской православной церкви в Москве. Требовалось выявить причины возникновения сквозняков и повышенной влажности.
В России до начала XIX века православные храмы делились на «зимние» (деревянные, легко протапливаемые) и «летние» (каменные, с большой тепловой инерционностью). В каменных храмах в холодный период года (от Покрова до Пасхи) службы не проводились. Небольшие деревянные церкви (рассчитанные на 50-200 человек) в холодные периоды года обогревались за счёт тепловыделения прихожан, свечей и лампад. По мере увеличения концентрации населения в городах, приходы возрастали. В конце XVIII века в каменных соборах начали устанавливать воздушные системы отопления, позволяющие круглогодично проводить церковные богослужения. В начале XIX века зодчим удалось создать эффективные энергосберегающие системы, позволяющие стабилизировать температурно-влажностный режим в каменных соборах.
Главной архитектурной доминантой Донского монастыря является Большой собор в честь Донской иконы Божией Матери (1698 г. постройки). Храм выполнен в стиле Нарышкинского барокко. Пятиглавый собор поставлен на высокий подклет и окружен двухъярусной открытой галереей. В 1839 году власти Донского монастыря решили устроить отопление в соборе. По проекту архитектора К. А. Тона были установлены три «пневматические» печи в подклете. В стенах и перекрытиях прорубили каналы и шахты, по которым тёплый воздух подавался в центральную часть собора. Оконные проёмы галереи были застеклены. Архитектору удалось разработать редчайшую систему воздушного отопления, состоящую из дымоходных, тепловых и оборотных каналов, позволяющих в зимний период прогревать здание, а в жаркие дни охлаждать помещение. Отмечался экономный расход дров: одной растопки хватало на сутки эксплуатации. В 1918 г. Донской монастырь был закрыт. В соборе демонтировали печи и частично заложили каналы системы отопления. Уникальная технология была навсегда утеряна.
В 1991 г. монастырь возвратился к Русской православной церкви. Ранее собор был подключен к центральной системе отопления, установлены чугунные радиаторы. В 2010-2011 годах в центральной части храма была устроена система тёплого пола, в нижнем храме смонтировали систему отопления. В это же время в соборе сменили деревянные рамы на пластиковые оконные блоки.
Из-за высотности и сложной геометрической формы собора с земли было выполнено лазерное сканирование, а с воздуха фотограмметрическое.
Также было выполнено тепловизионное исследование всего собора. Термограммы показали низкое сопротивление практически всех ограждающих конструкций.
Тщательное обследование оконных и дверных блоков выявило их промерзание в местах примыкания к строительным конструкциям, что говорит о низком качестве монтажных работ.
Во время обследования собора специалисты группы компаний «ГОРКА» обнаружили элементы системы печного отопления и вентиляции, выполненные в строительном исполнении. Были обследованы система центрального отопления и тёплого пола. Теплотехнический расчёт показал, что ограждающие конструкции собора, выполненные из кладки глиняного кирпича на известково-песчаном растворе, имеют высокие тепловые потери: происходит промерзание ограждающих конструкций, а также возможно выпадение конденсата.
Расчёт теплопотерь составил 325 кВт. Расчёт выделяемой суммарной мощности систем отопления составил 201 кВт, что меньше требуемой мощности на 123 кВт.
Расчёт тепловлажностного режима собора показал, что в холодный период года, нехватка мощности (теоретически) может быть компенсирована за счёт тепловыделения прихожан и зажжённых свечей, и составит ≈ 181 кВт, при условии максимального заполнения собора.
Суммарный объём фактического воздухообмена составил 3 504 м3/час, что является допустимым при нахождении не более 115 человек в помещении храма (в соответствии с табл. 8 СП 31-103-99).
Расчёт воздушных потоков в соборе был произведён путем математического моделирования в программном комплексе Autodesk CFD (вычислительная гидродинамика). Этот программный комплекс, предназначенный для моделирования, вычисления и изучения гидродинамических процессов, также хорошо подходит и к воздушной среде. В программу CFD из Revit была подгружена BIM модель, в которую были заложены данные, полученные в результате полевых работ. Целью данного расчёта являлось получение полной картины термодинамических процессов, протекающих в здании, и моделирование микроклимата в помещениях. С помощью данной программы можно моделировать термодинамические процессы не только от влияния существующих климатических инженерных систем, но и проектируемых. Она позволяет с высокой точностью предсказать эффективность принятых решений ещё на стадии проектирования.
В результате всестороннего исследования собора было выявлено следующее:
Поступление воздуха (инфильтрация) в галерею должно было осуществляться через светопрозрачные ограждающие конструкции за счет ветровых и тепловых напоров, формируемых разностью температур, перепадом давления со стороны улицы и внутри помещения. В центральную часть собора воздух должен был поступать частично из галереи, через дверные проемы, и частично через оборотные каналы из нижнего храма. Удаление воздуха должно было осуществляться через вытяжные каналы и трубы, установленные на кровле галереи, а в центральной части собора через оконные проёмы, установленные в барабанах. В результате замены в галерее деревянных окон на блоки из ПВХ профиля с двойным уплотнителем и двухкамерным стеклопакетом произошло опрокидывание тяги. Данный эффект (обратная тяга) возникает в зимний период при низких наружных температурах. Внутренний теплый воздух не обладает достаточной энергией, чтобы подняться по воздуховоду, в свою очередь, холодный воздух под действием гравитации попадает в воздуховод, а затем во внутренние помещения.
Установка в центральной (молельной) части собора системы тёплого пола, которая (по мнению проектировщиков) должна была бы стабилизировать температурный режим, в итоге усугубила ситуацию. Разогретый от тёплого пола воздух устремлялся вверх и выходил через барабанные окна и технологические отверстия на улицу, тем самым создавая разрежение в центральной части собора. На его место, через опрокинутые вентиляционные каналы поступал холодный уличный воздух в гораздо большем объёме. Отбирая тепло от обогреваемого пола, он устремляется вверх с ещё большей скоростью, тем самым увеличивая воздухообмен. Сложилась парадоксальная ситуация: чем больше тепла выделяет подогреваемый пол, тем сильнее сквозняки. Замеры скорости и температуры воздуха в верхней части собора подтвердили вышеуказанные выводы.
«Также заказчиком был предоставлен проект ещё одной системы тёплого пола, которую проектировщики намеревались смонтировать в алтарной части собора. Подгрузив предоставленные характеристики в программу, мы получили ещё более худшие результаты. И как бы это не звучало странно, основными причинами возникновения сквозняков и повышенной влажности является замена оконных блоков, установка тёплых полов и отсутствие тамбура на входе», - рассказал Дмитрий Адылевич Гадиев.
Современные специалисты, имея двухсотлетнюю фору развития инженерной мысли, не смогли приблизиться к гениальности зодчих начала XIX века. Руководствуясь законами физики, строители отопительной системы не пытались обогревать воздух во всём храме, он обогревался только в зоне расположения людей. От печей, с помощью тепловых каналов, тёплый воздух поступал в центральную часть собора через отверстия, расположенные в 15 сантиметрах от пола. Далее он поднимался вверх, обогревая прихожан. На высоте 2 м., воздух за счёт инжекционного разрежения, возникающего вокруг технологических отверстий, засасывало в оборотные каналы, по которым он возвращался снова к печам. Таким образом, осуществлялась циркуляция системы воздушного отопления. Внутренняя часть тепловых каналов выполнена из природного камня, так как он в четыре раза эффективнее аккумулирует тепловую энергию и сохраняет тепло ещё долгое время после окончания топки. В свою очередь влага, выделяющаяся в воздух во время службы, впитывалась в известковую штукатурку. После окончания службы, в опустевшем храме, влага из стен обратно возвращалась в воздух. Таким образом, зодчим XIX века удалось решить вопрос со стабилизацией влажности в соборе. По мнению докладчика, исследование с применением математического моделирования с использованием метода конечных элементов, выявило недоработки используемой нормативной документации, разработанной без глубокого аналитического обоснования больших и сложных пространств. Так, например, требование п.6.6 «О воздухообмене», СП 31-103-99 завышено приблизительно в 6-8 раз. Большая часть существующей нормативной документации не применима к сложным и большим по объёму сооружениям. Попытка использовать нормативную документацию приводит на этапе проектирования к установке излишне дорогостоящего оборудования, а в период эксплуатации – к неоправданно высоким расходам на электрическую и тепловую энергию.
Метод сбора и регистрации исходных данных показал свою малую эффективность в связи с тем, что выполняется вручную. Данную ситуацию можно исправить путём разработки и внедрения тепловизионного устройства, позволяющего сканировать термодинамические процессы в здании и подгружать их в программы математической модели газодинамической среды. Тепловизионный 3D сканер позволит значительно сократить сроки выполнения полевых работ и повысить их эффективность.
«Проектирование инженерных систем, обеспечивающих тепловлажностный режим культовых сооружений, представляет собой сложную многофакторную системную задачу, требующую выполнения индивидуальных исследований. Применённая методика математического моделирования климатических систем собора показала свою высокую эффективность и при определенной доработке может стать методическим пособием для последующих исследований, как культовых сооружений, так и сооружений со сложным внутренним объёмом. Данная методика поможет не только сохранить памятники русского зодчества, но и приспособить их для эксплуатации в современных условиях», - заключил руководитель отдела Технического обследования группы компаний «ГОРКА» Гадиев Дмитрий Адылевич.
Конференция проводится с 2010 года и организуется силами специализированной организации ООО «ОЗИС-Венчур» и Ассоциации обследователей зданий и сооружений (АОЗИС).
