Опыт реконструкции системы теплоснабжения сельского храма. Часть 1 Постановка задачи. Инженерные системы храма до реконструкции. Преимущества и недостатки реализованных инженерных решений. Пути улучшения внутреннего микроклимата храма.
1. Постановка задачи
Отопление сельских храмов издавна было на Руси одной из серьезных проблем. Церковь — не изба: высокие своды, сложные строительные конструкции. Зимы в былые времена отличались крепкими морозами поэтому священники, подолгу служившие в холодных храмах, нередко приобретали болезнь легких. Недаром наиболее распространенной причиной смерти среди причта была чахотка.
Сейчас на дворе XXI век, но многие проблемы остались не решенными с тех времен, когда наши предки для отопления запасали большую поленницу дров. Так дело обстояло в одном из недавно построенных сельских храмов, приходской Совет которого обратился в компанию ООО «Витапром» за квалифицированной помощью в решении накопившихся проблем. Церковь, построенная 13 лет назад, отапливалась, но очень слабо, в сильный мороз температура опускалась почти до нуля, а стены в некоторых местах промерзали насквозь. После промерзания — оттаивания стены разрушались, штукатурка отлетала, роспись приходила в упадок. Повышенная влажность наносила ущерб церковной утвари и иконам.
Первым шагом на пути реконструкции системы отопления храма стало предпроектное обследование.
2. Инженерные системы храма до реконструкции
2. 1. Система отопления
Система отопления храма представляла собой электрокотел с циркуляционным контуром.
В качестве источника тепла был применен котел ЭОВ 18/9 мощностью 18 кВт с двумя ступенями нагрева по 9 кВт производства ООО «ОЗ ВНИИЭТО» г. Истра. Циркуляционный контур был выполнен в виде двухтрубной системы отопления с чугунными радиаторами.
Расчетный температурный график системы — 85°С/65°С.
Разводка отопления состояла из лежаков, проложенных в подвальной части здания и вертикальных стояков, подводящих теплоноситель к каждой батареи. Циркуляция теплоносителя была организована по тупиковой схеме, с сужением магистрального лежака от Dy50 до Dy 20, подводка к радиаторам — Dy15. При устройстве системы отопления были использованы трубы из черного металла на сварных соединениях.
В качестве отопительных приборов были применены чугунные радиаторы МС-140-500 6-, 7, и 8-секционные, соединенные параллельно. Всего в храме было установлено 10 радиаторов с суммарной теплоотдачей 10 кВт. Регулировочной, воздухоотводной и отсечной арматуры на радиаторах предусмотрено не было. Отопление подвала осуществлялось за счет теплоотдачи неизолированных лежаков и арматуры.
В системе был применен расширительный бак открытого типа емкостью 30 л, установленный непосредственно в помещении храма на отметке 1, 5 м, что обеспечивало статическое давление в верхней точке системы около 0, 1 атм.
Общая емкость системы отопления составляла 180 л. В качестве теплоносителя использовался антифриз на основе этиленгликоля.
2. 2. Вентиляция
В храме была предусмотрена естественная нерегулируемая вентиляция. Приток свежего воздуха осуществлялся по двум коробам (Рисунок 2. 2. 1), выведенным из подвала на отметку +0, 5 м сечением 100×100.
Вытяжкой служили отверстия в окнах светового барабана храма. Дополнительный воздухообмен происходил через неплотности оконных и дверных переплетов.
2. 3. Водоснабжение и водоотведение
В храме не предусмотрена система водоснабжения и канализация. Доставка воды для хозяйственных и богослужебных нужд, а также водоотведение осуществляется вручную.
2. 4. Ограждающие конструкции
Кладка храма толщиной 500 мм выполнена из красного щелевого кирпича М-100, своды храма — из железобетона толщиной 250 мм. Кровля фальцевая из черного металла, неутепенная, покрытая вододисперсионной краской.
На первом ярусе храма имеется 12 арочных оконных проемов и 2 прямоугольных в притворе, 3 арочных оконных проема — на втором ярусе и 4 — в световом барабане. Окна в храме выполнены с глухими переплетами и двойным остеклением (Рисунок 2. 4. 2).
Притвор служит тамбуром здания, до реконструкции не отапливался.
3. Преимущества и недостатки реализованных инженерных решений
Существенными плюсами реализованных при строительстве храма инженерных решений являлись надежность, простота в обслуживании и дешевизна всех систем. Это крайне важно в условиях деревенского храма, не имеющего постоянного квалифицированного обслуживающего персонала и ограниченного в средствах.
Очень показательно, что за 12-летнюю историю эксплуатации системы не произошло ни одной аварии, связанной с утечкой теплоносителя.
Разводка системы отопления, выполненная из черного металла, чугунные батареи были рассчитаны на несколько десятилетий безотказной работы. Забегая вперед, отметим, что во время реконструкции, когда радиаторы были демонтированы, а из трубопроводов были вырезаны небольшие участки, выяснилось, что длительная эксплуатация системы практически не повлияла на остаточную толщину металла, не было отмечено значительных следов коррозии и отложений на внутренних поверхностях.
Открытый расширительный бак в силу простоты своей конструкции также надежен и не требует обслуживания.
Использованный в системе антифриз позволял избежать разгерметизации системы даже при отключении отопления и потере циркуляции теплоносителя.
В целом, инженерные системы практически не потребовали затрат на техническое обслуживание, за исключением однократной замены антифриза.
Однако за время эксплуатации обнаружились и определенные недостатки.
Система отопления не в состоянии была обеспечить компенсацию расчетных теплопотерь храма, поэтому в отопительный период, когда температура наружного воздуха опускалась ниже 0°С, внутри храма становилось достаточно холодно, около +12°С — +14°С. При такой температуре находиться в помещении продолжительное время (а длительность церковного богослужения составляет 3 — 4 часа) могли только очень выносливые прихожане. Когда же наступали настоящие морозы и температура опускалась ниже −20°С, температура падала практически до нуля, а стены промерзали насквозь.
Низкие температуры ограждающих конструкций и недостаточный воздухообмен приводили к выпадению конденсата на внутренних стенах храма, на которых нанесена роспись, что приводило к ее разрушению, местами отслаивалась штукатурка, появлялась плесень, портилась церковная утварь.
При очень низких температурах нерегулируемый воздухообмен, напротив, усиливался, что приводило к повышенным теплопотерям с инфильтруемым воздухом. Это вызывало некоторый акустический эффект, когда воздух с шумом устремлялся к куполу и проходил сквозь отверстия в окнах. Летом также наблюдались проблемы с воздухообменом, поскольку естественная вентиляция практически не работает при одинаковых температурах внутри и снаружи помещения.
Улучшить воздухообмен путем использования оконных проемов не представлялось возможным, поскольку окна в храме выполнены в «глухом» исполнении.
Неудовлетворительное отопление храма было связано как с недостаточной поверхностью теплообмена установленных радиаторов, так и низкой теплопроизводительностью котла. Произведенные измерения показали, что фактическое напряжение в электросетях в течение отопительного периода находилось на уровне 160 — 180 В, что приводило к снижению мощности котла до 8 — 10 кВт.
Недостаток проявился и в разводке системы отопления. Тупиковая схема распределения теплоносителя и отсутствие возможности балансировки приводили к неравномерному прогреву радиаторов. В результате северная часть храма прогревалась значительно слабее южной, чему способствовала и неравномерная инсоляция здания.
Не вполне удачным решением было использование этиленгликолевого антифриза в сочетании с открытым расширительным баком, размещенным непосредственно в храме. Токсичная жидкость, испаряясь, попадала в помещение.
4. Пути улучшения внутреннего микроклимата храма
По результатам предпроектного обследования и обсуждения возможных вариантов был принят план мероприятий по реконструкции инженерных систем храма.
На первом этапе работ была запланирована организация регулируемого естественного воздухообмена путем устройства открывающегося окна в световом барабане с дистанционным приводом. Это мероприятие позволило частично регулировать кратность воздухообмена при изменении температур наружного воздуха и режима пользования храмом.
Второй этап работ состоял в реконструкции системы теплоснабжения и включал в себя устройство котельной и замену радиаторов.
Далее планировалось внедрить АСУ ТП котельной, утеплить кровлю, устроить механическую приточно-вытяжную вентиляцию, заменить окна на современные энергосберегающие с двойным стеклопакетом, а в дальней перспективе — газифицировать котельную.
5. Расчет тепловых потерь здания храма
Отправной точкой для принятия инженерных решений по реконструкции инженерных систем явился расчет тепловых потерь здания храма. Расчет был выполнен на основании проектной документации и натурных измерений с применением специализированного программного обеспечения. Основные результаты расчета сведены в Таблицу 5. 1.
Таблица 5. 1. Расчет тепловых потерь храма.
| № | Помещение | Тепловые потери | в том числе: | |
| Всего: | Потери через ограждающие конструкции, кВт | Потери на вентиляцию, кВт | ||
| 1 | Храм,в т. ч. потери через ограждающие конструкции: | 42, 2 | 34, 1 | 8, 1 |
| 1. 1 | стены | 11, 9 | ||
| 1. 2 | кровля | 19, 3 | ||
| 1. 3 | окна, двери | 2, 9 | ||
| 2 | Подвал | 7, 2 | 4, 0 | 3, 2 |
| 3 | ИТОГО: | 49, 4 | 38, 1 | 11, 3 |
Справочно:
Площадь храма — 100 м2.
Отапливаемый объем — 738 м3
Расчет был выполнен при следующих допущениях:
- кратность воздухообмена — 1/час.
- расчетная температура воздуха внутри помещений — +16°С, в алтаре — +18°С (СП 31-103-99. Здания, сооружения и комплексы православных храмов. ).
- средняя расчетная температура воздуха наружного воздуха в течение наиболее холодной пятидневки — —26°С.
Выполненный расчет тепловых потерь показал, что около 39% тепла храм теряет через кровлю. Это связано с низким теплосопротивлением железобетонных сводов и отсутствием подкровельного утепления.
Потери через стены храма составляют около 24%, поскольку толщина стен не отвечает современным энергосберегающим нормативам.
Количество тепла, теряемое через оконные и дверные проемы, относительно не велико — 6%.
Расчетные теплопотери с вентиляцией составляют около 14%.
Потребление тепловой энергии за отопительный период рассчитывалось исходя из числа часов использования установленной мощности 2 500 часов в год и составило 123 тыс. кВт. ч в год.
6. План реконструкции инженерных систем храма
Наиболее технически простым решением, которое могло быбыть принято в сложившейся ситуации, было устройство газовой котельной с простейшей системой автоматики и механической приточно-вытяжной вентиляцией. В этом варианте можно было заложить в проект котельной расчетные тепловые нагрузки с возможностью повышенного воздухообмена для обеспечения санитарно-гигиенических требований при полной наполняемости храма (100 — 150 человек).
При возможности присоединения к централизованным сетям газоснабжения, существенный расход топлива, необходимый для компенсации тепловых потерь недостаточно утепленного здания, а также для подогрева приточного воздуха, мог быть компенсирован его низкой стоимостью.
Однако поскольку деревня, в которой расположен храм, не газифицирована, и возможности подключения храма к газовым сетям относятся к дальней перспективе, было принято решение об устройстве котельной на привозном топливе. И, поскольку, как будет показано ниже, производство тепла с использованием привозного топлива существенно дороже, чем при использовании магистрального природного газа, необходимо будет реализовать ряд энергосберегающих мероприятий, для снижения финансовой нагрузки на бюджет прихода.
7. Организация воздухообмена
Были рассмотрены два варианта улучшения воздухообмена в храме. Первый вариант предусматривал устройство приточно-вытяжной вентиляции, совмещенной с воздушным отоплением. Второй вариант включал в себя мероприятия по регулированию естественного воздухообмена.
Для устройства механической вентиляции необходимо устройство забора свежего воздуха через существующие приточные короба, его подогрев в калорифере и распределение по воздуховодам, смонтированным в подвальном помещении. Подача воздуха может осуществляться через вентиляционные решетки, установленные под радиаторами в храме.
Вариант организации воздушного отопления потребовал бы частичной рециркуляции воздуха. Для этого в верхней части храма необходимо было бы установить воздухозаборные решетки и по системе воздуховодов направлять остывший воздух в калорифер для повторного подогрева.
Плюсом этого варианта является отсутствие необходимости реконструкции существующей системы водяного отопления, поскольку большая часть тепловой нагрузки может взять на себя воздушная система отопления.
Однако для храма данный вариант оказался неприемлемым по ряду причин.
Наиболее технологически сложным мероприятием в этом проекте является устройство системы коробов рециркуляции воздуха в действующей церкви. Такие конструкции могут быть проложены открытым способом, что нарушает интерьер и роспись храма. При закрытой прокладке воздуховоды необходимо скрыть внутри стен, что связано с большими объемами строительных, а затем и реставрационных работ.
Нежелательным является и устройство отверстий в бетонных перекрытиях пола для подачи теплового воздуха в храм, особенно в алтаре.
Устройство механической вентиляции требует существенных расходов на оборудование и выполнение монтажных работ. И, поскольку, приход храма не располагает соответствующими финансовыми возможностями, было принято решение усовершенствования естественной вентиляции.
Для регулирования потока удаляемого из храма воздуха было смонтировано окно в верхней части храма (световом барабане) с дистанционным управлением (Рисунок 7. 1).
Окно выполнено из ПВХ-профиля с однокамерным стеклопакетом и состоит из двух частей. Нижняя часть окна — «глухая», верхняя часть — открывающаяся с поворотной створкой. Для дистанционного открывания и закрывания створки использован электромеханический привод ELTRAL KS 30/40 (Рисунок 7. 2), позволяющий приоткрывать створку на требуемую глубину.
Управление устройством осуществляется от пульта дистанционного управления (Рисунок 7. 3).
Во избежание попадания осадков, птиц и насекомых в храм, был выполнен внешний оконный переплет. Глухая внешняя створка закрывает верхнюю часть открывающегося окна, что препятствует горизонтальному потоку осадков. Нижняя часть предназначена для циркуляции воздуха и закрыта москитной сеткой от птиц и насекомых.
Приток свежего воздуха осуществляется через воздухозаборные короба, а также неплотности в дверных и оконных проемах.
В перспективе естественная вентиляция храма может быть усовершенствована путем замены существующих глухих окон на открывающиеся.
8. Утепление ограждающих конструкций
Традиционный вариант энергосбережения, состоящий в утеплении ограждающих конструкций, и приемлемый для большинства зданий, в данном случае связан с определенными сложностями.
Утепление кровли не может быть выполнено изнутри без ее демонтажа, поскольку между сводами храма и внешним покрытием отсутствует технологический зазор, достаточный для проведения работ. Замена же кровли связана с существенными затратами, которые включают в себя: стоимость разбора и утилизации существующего покрытия, устройства стропил, обрешетки, пароизоляции, утеплителя, нового кровельного покрытия, отливов и водостоков.
Наиболее сложный и дорогой в реконструкции элемент кровли — сферический участок над алтарем (апсида), требующий выполнения сложной обрешетки и применения гибких кровельных материалов, с привлечением высококвалифицированных специалистов.
Ориентировочные затраты на реализацию данного варианта составляют около 500 тыс. рублей
И, поскольку приход не имеет достаточных финансовых средств для замены кровли, был рассмотрен вариант использования инновационного материала — тепловодостойкого покрытия «Аврора» (краска, состоящая из акрилового связующего и полых керамических микросфер), позволяющего существенно снизить теплопотери кровли без выполнения сложных монтажно-строительных работ.
Покрытие наносится на существующую поверхность методом безвоздушного распыления двумя слоями по 1 мм. Работы по нанесению материала занимают 1 — 2 дня. Для условий храма этот вариант может оказаться целесообразным, поскольку позволяет в 2 — 3 раза снизить стоимость работ по утеплению и существенно более прост в реализации.
Теплоизоляция наружных стен храма также может привести к определенному снижению тепловых потерь. Но и данный вариант имеет ряд недостатков.
Утепление стен изнутри нежелательно, поскольку может привести к выпадению конденсата внутри храма, а кроме того потребует практически полного возобновления росписи. Наружное утепление с использованием традиционных технологий: минеральная вата с оштукатуриванием, вентилируемые фасады, термопанели ведет к изменению архитектурного облика храма, что крайне нежелательно. Кроме того, применение данных систем утепления ведет к дополнительной нагрузке на фундамент, что требует дополнительных инженерных расчетов, и при необходимости усиления строительных конструкций.
Был рассмотрен вариант наружной покраски стен покрытием «Аврора» с сохранением дизайна храма путем колеровки краски, но в силу высокой стоимости таких работ, данный вариант утепления был отложен на дальнюю перспективу.
Дополнительный энергосберегающий эффект может быть получен и путем замены существующих деревянных рам с обычным остеклением на современные окна со стеклопакетом. Эффект достигается благодаря ликвидации щелей в рамах и на стыках переплетов со стеной. Однако, поскольку площадь остекления не велика — (около 12 м2) и удельный вес теплопотерь через окна и дверь составляет менее 6%, их реконструкция также отложена на дальнюю перспективу.