использование МЕТОДОВ СТРОИТЕЛЬНОЙ ТЕПЛОФИЗИКИ ДЛЯ СОХРАННОСТИ МОНУМЕНТАЛЬНОЙ ЖИВОПИСИ В ПАМЯТНИКАХ АРХИТЕКТУРЫ

Нормализация температурно-влажностного режима конструкций и воздушной среды памятника архитектуры является наиболее важным фактором, влияющим на сохранность и долговечность монументальной живописи.

Для изучения и нормализации температурно-влажностных процессов в конструкциях и слое живописи необходимо иметь достоверную информацию о распределениях температуры и влажности материалов и воздушной среды во времени и в пространстве.

КОМПЛЕКСНЫЙ МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИКИ КОНСТРУКЦИЙ И МОНУМЕНТАЛЬНОЙ ЖИВОПИСИ

В начале 1990-х гг. сотрудники ГосНИИР и НИИСФ разработали и апробировали комплексный метод неразрушающего изучения температуры и влажности поверхностных слоев материалов.

Неразрушающие измерения влажности проводились при помощи влагомера ВСКМ-12, реализующего диэлькометрический метод измерения влагосодержания.

Суть метода заключается в создании системы электродов, располагаемых на поверхности строительной конструкции. Для обеспечения щадящего воздействия на стены памятников архитектуры, покрытые монументальной живописью, чтобы исключить риск нанесения царапин, а также для повышения воспроизводимости на неплоских участках поверхности был изготовлен электрод из эластичного неметаллического проводника электрического тока.

Емкость получающейся системы зависит от плотности и влажности строительных материалов. Эта зависимость определялась при натурной градуировке путем сравнения с влажностью образцов, определяемой гравиметрическим методом. Невозможность провести градуировки в лабораторных условиях обусловлена тем, что в конструкциях памятника при наличии живописи зачастую невозможно выделить однородные зоны. Несмотря на все допущения диэлькометрического метода, он имеет несомненные преимущества перед термогравиметрическим не только в оперативности и высокой производительности, но и в том, что многократные повторные измерения влажности не требуют отбора проб и не вредят поверхности исследуемого участка. Можно утверждать, что без применения такого или аналогичного неразрушающего метода невозможно проводить достоверные исследования влажностного режима конструкций с монументальной живописью. Анализируя полученные при помощи влагомера результаты, следует помнить, что основную ценность они имеют при относительном анализе временных или пространственных изменений.

Дистанционный метод измерения температурных полей на поверхности конструкций реализуется при помощи тепловизора. Этот прибор представляет собой оптико-электронное устройство, регистрирующее распределение потока теплового излучения поверхности объекта и преобразующее его в черно-белое или цветное изображение на экране видеоконтрольного устройства. Результат фиксируется в памяти прибора. При наших обследованиях применялись тепловизоры с разрешающей способностью 0,1 — 0,2° С. Методика тепловизионных обследований основывается на разработанном в НИИ строительной физики ГОСТ 26629-85 [1].

Методологический подход, использующий информацию о временных и пространственных изменениях влажности и температуры поверхности конструкций в течение годового цикла, при определенном количестве измерений позволяет выдвигать обоснованные гипотезы о причинах изменчивости температур и влажности изучаемых объектов. Весьма существенным дополнением к этим измерениям служит мониторинг динамики численности микроорганизмов, состава микробных ассоциаций и смены в них доминирующих форм [8]. Мониторинг микробиоты позволяет независимым методом проследить изменения влажностного режима строительных материалов в течение более длительных периодов в процессе работ по нормализации микроклимата памятника.

В предложенном методе сочетаются поперечные и продольные исследования различных параметров, оказывающих влияние на сохранность памятника. При поперечных исследованиях, т.е. одновременных измерениях определенных параметров в некотором множестве точек, являющемся репрезентативным для характеристики изучаемого объекта, получается как бы «моментальный снимок» характеристик объекта. Такие измерения температуры и влажности воздуха и температуры и влажности поверхности стены проводятся в различные сезоны. Продольными называются исследования с выделением группы точек, в которых ведется непрерывное (в течение характерных интервалов времени, например годового цикла) наблюдение за изменчивостью параметров. Продольные измерения позволяют понять динамику изменения параметров при различных сезонных воздействиях.

В качестве параметров, оказывающих непосредственное влияние на сохранность конструкций и монументальной живописи (параметров влияния), мы рассматриваем:

— риск выпадения конденсата, оцениваемый по разности между температурой точки росы воздуха, прилежащего к поверхности конструкции, и температурой на поверхности;

— скорости и амплитуды изменения температуры и относительной влажности воздуха вблизи живописи;

— динамику изменений влагосодержания поверхностного слоя конструкций;

— пространственные и временные распределения температуры поверхности живописи, а также температуры и относительную влажность воздушного объема, примыкающего к живописи.

Впервые комплексная методика неразрушающего контроля температурно-влажностного режима конструкций и монументальной живописи была применена в исследованиях с участием автора данной работы в 1989—1991 гг. в Спасо-Преображенском соборе Мирожского монастыря. Исследования позволили выявить аномалии температурно-влажностных полей на поверхности живописи XII в. и провести мероприятия, значительно уменьшившие градиенты температур и влажности монументальной живописи, снизившие риск выпадения конденсата на ее поверхности и в поверхностном слое конструкций.

В первой половине 1990-х гг. мною при участии сотрудников ГосНИИР и НИИ строительной физики были проведены исследования [2, 4] комплексным неразрушающим методом (тепловизор + диэлькометрический влагомер) следующих объектов:

На основании этих исследований были выявлены режимные и конструктивные причины неблагоприятного состояния конструкций и разработаны рекомендации по устранению причин.

Во второй половине 1990-х и в начале 2000 гг. большой объем неразрушающих исследований ТВР конструкций был выполнен под руководством Б. Т. Сизова [5, 6, 7] в соборе Рождества Богородицы Ферапонтова монастыря, в Софийском соборе г. Вологды, в Дмитриевском соборе г. Владимира, в соборе Покрова на Рву (собор Василия Блаженного), в Смоленском соборе Новодевичьего монастыря. На основе исследований предложены мероприятия по нормализации ТВР конструкций и воздушной среды.

В настоящее время методы неразрушающего исследования ТВР конструкций и монументальной живописи постоянно используются в работах ГосНИИР и ЦНРПМ на памятниках архитектуры — на соборах Московского Кремля, в Софийском соборе г. Вологды, на памятниках Владимира и Суздаля.

СПОСОБЫ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНОГО РЕЖИМА ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ И КОНСТРУКЦИЙ КАК ФАКТОРА СОХРАННОСТИ МОНУМЕНТАЛЬНОЙ ЖИВОПИСИ

В настоящее время в России все большее число памятников архитектуры, в первую очередь церковных зданий, вводится в музейный и церковный оборот. При этом риск повреждения памятников становится наглядным и очевидным. Ранее, когда в памятниках могло размещаться все что угодно, этот риск был больше, но результаты повреждений не были на виду.

Одним из важнейших факторов сохранения памятников в российском климате является их температурно-влажностный режим — особенно при музейном и церковном использовании. При нахождении в памятниках людей — экскурсий, прихожан — постоянно возникает желание сделать их пребывание комфортным.

Ранее, когда памятник стоял законсервированным и допускались в него для осмотра и контроля за сохранностью только специалисты, проблема создания системы климатизации не была первоочередной. При постоянном музейном или церковном использовании памятников оснащение эффективными системами климатизации следует считать одним из важнейших направлений их сохранения. При этом надо понимать, что области требований к микроклимату музея или церкви и требований к сохранности памятника, как правило, совпадают при ограниченном наборе значений параметров.

Следовательно, проектирование и создание систем климатизации должно быть связано со множеством компромиссов. При принятии таких компромиссных решений приоритетом должно являться обеспечение условий для сохранности памятника, его конструкций и материалов.

В качестве примера рассмотрим один из элементов процесса создания системы климатизации на примере недавней нашей работы — экспертизы проекта отопления памятника архитектуры XVI в. церкви Вознесения (приходской храм) в Ростове Великом.

Предыстория проекта такова. В дар приходу предложили установку теплых полов на водяном отоплении. Полы было предложено установить на бетонной подушке (т. е. на железобетонной платформе с теплоизолирующим слоем) и проложить трубы, закрыв их сверху стяжкой и плиткой.

Мы были вынуждены дать отрицательный отзыв на эти предложения, несмотря на то, что такие полы, безусловно, улучшат комфортность пребывания в храме прихожан. Следует отметить, что при системе отопления «теплые полы» возникает оптимальное распределение температур в помещении, и при температуре 5-7° С обеспечиваются комфортные условия для прихожан. В отличие от радиаторного и воздушного отопления отопление системой «теплые полы» дает наиболее комфортное распределение температур — теплые ноги и холодная голова.

Основные положения отзыва на проектные предложения и сопутствующие рекомендации

1. Введение отопления в храме при существующем качестве оконных и дверных заполнений в принципе недопустимо. Проект отопления и реконструкции заполнений следует разрабатывать одновременно.

2. Предлагаемая многослойная конструкция пола совершенно не учитывает влажностные процессы в конструкциях памятника. Она отсекает возможность выхода влаги из грунта в воздушную среду и вытесняет влагу в стены храма, покрытые живописью, что является мощным разрушительным фактором.

3. Следует разработать систему вентиляции пространства под предлагаемой конструкцией пола. Пример одного из решений: расположить пол на столбиках (кирпич или бетон) и использовать имеющиеся продухи в цоколе для вывода влажного воздуха из подпольного пространства на улицу. Конструктивное решение с вентиляцией пространства под теплым полом внедрено в настоящее время в Софийском соборе г. Вологды.

4. Необходимо принять решение по замене или реконструкции оконных заполнений в четверике, барабане и апсидах. Тип и конструкции оконных заполнений следует выбирать одновременно с выбором параметров воздушной среды в храме и определением типа аэрационных устройств в окнах четверика и барабана.

5. В верхней части окон барабана следует установить аэрационные устройства. В качестве аэрационных устройств возможно использование устройств с принудительным или естественным побуждением вентиляции.

6. Необходим мониторинг и сопровождение работ по внедрению системы климатизации памятника.

Мониторинг тепловлажностных и микробиологических процессов необходимо проводить хотя бы на начальных этапах эксплуатации систем климатизации памятников. Данные мониторинга позволят оптимизировать работу системы отопления и вентиляции.

Порядок действий при климатизации церковных памятников архитектуры должен реализовать концепцию плавного и контролируемого перехода памятника из одного тепловлажностного состояния в другое, более близкое к оптимальному. Такой переход позволяет минимизировать температурно-влажностные напряжения в конструкциях, на монументальной живописи и предметах интерьера. Кроме того, появляется возможность вести наблюдения за медленно меняющимся состоянием различных фрагментов памятника и при необходимости, даже при незначительных ухудшениях состояния живописи, вводить коррективы в режим климатизации. Динамика тепловлажностных и микробиологических процессов в памятнике позволяет прогнозировать долговечность материалов конструкций и настенной живописи.

Изложенные в отзыве на проектные предложения рекомендации являются схематичным описанием необходимых мероприятий. Они должны быть конкретизированы в виде проекта и технологических рекомендаций. Для разработки этих документов необходимо натурное обследование собора специалистами по тепловлажностному режиму зданий и строительных конструкций, реставраторами настенной живописи, микробиологами, специалистами по физико-химическим свойствам материалов.

В качестве примера подходов к климатизации также интересно рассмотреть технические и организационные аспекты нормализации ТВР на примере трех церковных зданий Пскова — Спасо-Преображенского собора Мирожского монастыря, собора Рождества Богородицы Снетогорского монастыря и Троицкого собора.

В 1988-1994 гг. ГосНИИР (совместно с НИИ строительной физики) проводил исследования температурно-влажностного режима конструкций, настенной живописи и воздушного объема соборов Мирожского и Снетогорского монастырей и разрабатывал рекомендации по нормализации в них ТВР. В настоящее время в соборах работают предложенные нами системы ограниченного подогрева, сотрудники музея ведут наблюдения за ТВР воздушной среды соборов.

В 2002 г. приняли административное решение об отоплении Троицкого собора для обеспечения возможности круглогодичного проведения служб. В 2005 г. отопление собора уже работало.

По результатам исследований ТВР воздушной среды и комплекса неразрушающих исследований с анализом работы системы отопления и всех возмущающих факторов группа исследователей, состоящая из сотрудников ГосНИИР, НИИСФ, хранителей и климатологов Псковского музея-заповедника, в 1991 г. пришла к выводу о необходимости заменить существовавшую систему отопления.

В процессе работы были проанализированы некоторые варианты систем климатизации, применяемые в церковных зданиях.

В процессе рассмотрения этого варианта выявились причины, по которым ее применение в соборе невозможно:

• интерьер собора представляет собой единый открытый объем, все стены и своды покрыты настенной живописью. Поэтому размещение воздуховодов в интерьере невозможно;

• в настоящее время невозможно размещение приточных и вытяжных каналов в полу по причине неизученности подпольного пространства;

• размещение помещений под техническое оборудование внутри и вблизи собора невозможно, так как не проведено полного гидрогеологического и археологического обследований прилегающей к собору территории;

• ввод приточных каналов от агрегатов воздушного отопления невозможен из-за исторической ценности ограждающих конструкций.

2. Система кондиционирования воздуха. Ее применение в соборе невозможно по тем же причинам.

3. Были рассмотрены два приемлемых в настоящее время варианта отопления собора:

а) система подпольного отопления с применением греющих электрических кабелей,

б) система с масляными электрическими радиаторами. Система подпольного отопления с греющим электрическим

кабелем является наиболее перспективной для отопления Спасо-Преображенского собора как по климатологическим, так и по эстетическим соображениям. Она дает наиболее равномерное температурное поле по всему объему собора, исключает образование полюсов холода и локальный перегрев стен и столпов. Для ее создания необходимы:

• большой объем строительных работ внутри собора, связанных с необходимостью снять пол на 7—10 см;

• гидрогеологическое и археологическое изучение подпольного пространства;

• ликвидация возможностей поступления грунтовой влаги в конструкции собора за счет капиллярного подъема.

По этим причинам рассмотрение вопроса о введении подпольного отопления в соборе в начале 1990-х гг. оказалось преждевременным.

4. В результате было предложено в 1992—1993 гг. модернизировать существовавшую систему отопления собора, заменив ТЭНы масляными электрорадиаторами с защитным отключением и автоматическим регулированием системы с помощью датчиков. Электрорадиаторы обладают повышенными свойствами электробезопасности и имеют защитное устройство, делающее их пригодными к открытой установке в помещениях музеев.

Места расстановки отопительных приборов определены по теплотехническим показателям. Учтено неблагоприятное состояние ТВР в алтарной части, выравнивается температурный градиент между четвериком и притвором собора.

При модернизации системы отопления в рекомендации были внесены изменения (в основном из-за экономических и организационных ограничений). Изменения были согласованы с группой исследователей-разработчиков.

В результате модернизации системы отопления температурно-влажностный режим собора значительно улучшился.

Тепловизионный контроль за температурой внутренней поверхности ограждающих конструкций после монтажа новой системы отопления показал, что зафиксированная при прежней системе отопления неравномерность нагрева в значительной мере ликвидирована.

Однако вопрос об улучшении системы отопления в соборе нельзя считать закрытым. Необходимо, во-первых, выполнить анализ накопленных музеем за последние 10 лет данных о состоянии ТВР воздушной среды. Во-вторых, необходимо провести контрольное обследование влажностного состояния ограждающих и несущих конструкций с настенной живописью. В-третьих, потребуется разработать и внедрить постоянную систему мониторинга параметров с оперативной обработкой результатов для принятия оперативных мер по нормализации режима.

В качестве альтернативы по-прежнему следует рассматривать проработку системы отопления собора с помощью греющего пола, обеспечивающего наиболее равномерный нагрев воздуха и конструкций.

Собор Рождества Богородицы Снетогорского монастыря строился в течение XIV-XVIII вв. В первоначальном виде (1310 г.) представлял постройку, повторявшую композицию собора Мирожского монастыря после надстройки в нем западных палаток: в плане был близок к квадрату, четырехстолпный, с тремя алтарными апсидами (боковые апсиды понижены), одноглавый. В XV в. к собору пристроен притвор, в XVI в. замененный более обширной пристройкой. В XVII в. к пристройке добавлен притвор с открытым крыльцом, в XVIII в. включенный в развитую в плане пристройку с северным и южным приделами, соединенными большими арочными проемами с постройкой XVI в.

Так сложилась сложная объемно-пространственная композиция собора, не имеющая аналогий. Она строится из ряда разных по высоте ячеек, соединенных между собой арочными проемами. Доминирует центральное подкупольное пространство с алтарной апсидой древнего ядра собора, имеющее в плане форму креста. Все позднейшие пристройки, начиная с пристройки XVI в., образуют единый с древним ядром собора сложный в плане пространственный объем, расчлененный опорными столпами.

Решить проблему стабилизации микроклимата в соборе, имеющем столь сложную объемно-пространственную композицию, путем создания системы климатизации, без архитектурно-строительных мероприятий, практически невозможно.

Вопрос о возможных способах организации притвора был тщательно проработан вместе с автором проекта архитектурной реставрации архитектором В. Е. Никитиным. Было принято решение отделить застекленной перегородкой с западной стороны объем, включающий в себя древнее ядро собора, пристройку XVI в. и приделы XVIII в.

Были разработаны рекомендации по установке двойных оконных заполнений, замене дверных полотен, устройству тамбуров, установке аэрационных устройств в барабане.

В соборе Рождества Богородицы Снетогорского монастыря система ограниченного подогрева была установлена во время проведения комплексных исследований микроклимата в отопительный сезон 1992—1993 гг.

Появилась возможность оценить ее влияние на формирование температурно-влажностного режима в сравнении с предыдущим холодным периодом, когда храм был еще неотапливаемым. При этом учитывалось, что при оборудовании здания системой ограниченного подогрева не были выполнены все мероприятия, направленные на повышение его тепловой устойчивости. Однако даже при этом введение ограниченного подогрева в сочетании с комплексом защитных мероприятий (консервация, замена сплошных многоярусных лесов для реставрации настенной живописи на облегчающие воздухообмен конструкции, проветривание) дало положительный результат.

Вывод системы отопления на расчетные параметры +6...8°С предполагалось осуществить в течение двух холодных сезонов: первый этап — +4...6°С, второй - +6...8°С.

Уже на первом этапе ограниченного подогрева с расчетной температурой +4...6°С радикально изменился характер формирования температурно-влажностного режима в соборе. При выводе здания из отрицательных температур (с начала марта) условия для выпадения конденсата не возникали: в течение марта — апреля во всех объемах собора относительная влажность была в пределах нормы 62—69% при температуре внутреннего воздуха к 1 апреля +5,1...5,3°С во всех объемах здания.

Таким образом, опыт эксплуатации собора Рождества Богородицы Снетогорского монастыря в 1992—1993 гг. показал, что

• при системе ограниченного подогрева можно поддерживать внутреннюю температуру на положительном уровне (за исключением барабана, который охлаждается больше);

• относительная влажность внутреннего воздуха при этом не выходит за пределы нормальных значений.

Итак, на основании результатов работы можно прийти к заключению, что подогрев в холодный период года положительно сказывается на состоянии температурно-влажностного режима воздуха и ограждающих конструкций, а следовательно, и на состоянии настенной живописи.

Однако работу по введению отопления в соборе Снетогорского монастыря нельзя считать завершенной. Система отопления нуждается в доработке, которую следует осуществить после завершения архитектурной реставрации памятника.

Введение системы климатизации в Троицком соборе является примером неподготовленного, импульсивного процесса. От момента принятия административного решения об отоплении Троицкого собора с целью обеспечения круглогодичного проведения служб до введения отопления прошло менее трех лет.

При составлении технического задания на систему отопления Троицкого собора не проводились предварительные исследования ТВР, не были предусмотрены мероприятия по мониторингу ТВР конструкций, воздушной среды и состоянию памятников, находящихся в интерьере собора (иконы и иконостас). В первый же сезон введения отопления были выявлены отрицательные последствия работы системы:

• возникли локальные потоки воздуха, значительно ухудшающие комфортность пребывания в храме.

Рассмотренные примеры климатизации памятников показывают, что если введению отопления в памятниках архитектуры предшествуют объемные исследования тепловлажностного режима конструкций, микробиологического состояния и ТВР материалов и воздушной среды, то результаты включения систем климатизации способствуют созданию условий длительной сохранности памятника, настенной живописи и предметов интерьера. К сожалению, примеров неподготовленного внедрения отопления в церковных зданиях и случаев отрицательных последствий от такого внедрения гораздо больше.

Накопленный в ГосНИИР опыт нормализации условий сохранности памятников архитектуры при различных видах их использования имеет большую ценность в свете существующих в России законодательных инициатив по приватизации памятников архитектуры для сохранности их в новых условиях использования и эксплуатации. Передача церковных зданий-памятников из музейного в церковное пользование также требует немалых усилий — организационных и технических — для обеспечения сохранности памятников. Системный подход [3], разработанный в ГосНИИР, позволяет формализовать требования и условия контроля за сохранностью памятников, разработать принципы экспертизы сохранности памятников при планируемых условиях их использования.

1. ГОСТ 26629-85. Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля качества ограждающих конструкций. М.: Госстандарт, 1986.

2. Дорохов В. Б., Зотов А. В. Опыт применения неразрушающих методов контроля температурно-влажностного режима ограждающих конструкций памятников архитектуры // Музейное хранение и оборудование. М., 1991. С. 24—30. (Информкультура ГБЛ. Экспресс-информ.)

З.Дорохов В. Б. Температурно-влажностный режим конструкций и воздушной среды при системном подходе к реинкарнации архитектурных памятников // Проблемы хранения, консервации, реставрации музейных памятников: Тезисы пятой международной конференции. Киев, 2005. С. 78-82.

4. Зотов А. В., Дорохов В.Б. Применение неразрушающих методов для исследования ТВР ограждающих конструкций Спасо-Преображенского собора Мирожского монастыря // Научно-практическая конференция. Земля Псковская, древняя и современная. Псков, 1990. С. 22—26.

5. Сизов Б. Т. Мониторинг температурно-влажностного режима памятников архитектуры // АВОК*. 2003, № 2. С. 44-48.

6. Сизов Б. Т. Теплофизические аспекты сохранения памятников архитектуры // АВОК, 2002. № 1. С. 24-29.

7. Сизов Б. Т. Храм Василия Блаженного. Изучение температурно-влажностного режима// АВОК, 2004, № 3. С. 28-33.

*АВОК — некоммерческое партнерство «Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике» (НП «АВОК»).