Система естественной вентиляции «Церкви Преображения Господня», Кижский погост

Аэрация (вентиляция) как активный фактор, предотвращающий застой воздушных масс в строениях и появление в них агрессивной разрушающей среды, должна находиться в неразрывной связи с конструктивно – пластическим решением сруба церкви, его композицией, профилем внутреннего пространства и функциональным зонированием.

Доказательство наличия этой связи позволит раскрыть приемы обеспечения сохранности деревянных культовых строений, которые использовали древние зодчие, и применить их в современных работах по реставрации, консервации и воссозданию культурно – исторических памятников.

Организация естественной формы вентиляции (аэрации) внутри строения невозможна без наличия ветровых потоков в окружающей объект среде. Принцип организации вентиляции в здании предусматривает учет силы, направления и благоприятного воздействия ветра в процессе создания комфортных условий для находящихся в здании людей и наилучшей сохранности бревенчатого сруба постройки.

Организация вентиляции связана с наличием в церкви проемов и с тем, что свойственное церковным постройкам ярусное расположение световых проемов создавало внутри здания особые условия естественной вертикальной циркуляции воздуха.

Эффективность вентиляции зависит от величины и правильности организации воздухообмена в помещении. При отсутствии воздухообмена на отдельных участках возникают места застоя воздушных масс, которые ведут к концентрации и повышению влажности. В тоже время влага является источником разрушения древесины с образованием грибкового поражения. Поэтому интенсивное проветривание сруба ведет к устранению источника увлажнения мест застоя воздуха, создает оптимальные условия, при которых древесина быстро просыхает.

Застой воздуха может образовываться в любой части церкви, но в первую очередь он связан с местами перепада вертикальных плоскостей сруба. Образуемый застой порождает, прежде всего, гниение элементов покрытия, при окончательном разрушении которых возникают протечки внутри здания. И если в данном случае процесс аэрации по тем или иным причинам нарушен, то это неминуемо приводит к увлажнению основных элементов конструкции сооружения и последующему их гниению.

Высокая влажность воздуха при сравнительно низкой температуре приводит к преждевременному разрушению конструкций, тогда как благоприятный температурно – влажностный режим, складывающийся под влиянием слабого отопления, отвечает задачам наилучшей сохранности церквей. Существенным фактором в решении проблемы долголетия срубов являлся климат севера с характерным для него коротким летом. Сокращается время биологического разрушения древесины.

Важным условием долговечности бревенчатого сруба был выбор сухого, возвышенного или продуваемого места с естественным или искусственным сбросом от основания талых и дождевых вод. Все эти действия сопряжены с устранением не только внутри, но и снаружи строения застойных явлений, появления повышенной влажности.

Использование ветровых потоков внутри строения отражает принцип аэрации, а организация естественной вентиляции предопределяет использование розы ветров и силы ветра, так как является неотъемлемым элементом воздушного бассейна окружающей среды. Зависимость отражает климатические особенности местности активно участвуя в организации процесса аэрации внутри постройки, перенося тем самым в него влажностные характеристики воздуха извне.

Совокупность конструктивно – композиционно решения форм силуэта здания, выбора функционального зонирования и организации системы аэрации в церкви есть синтез, то есть неразрывное гармоническое единство, смысл которого в достижении наибольшей адекватности требованиям каноничности культовых сооружений, эстетичности их облика, обеспечения их комфортности и максимальной сохранности.

Архитектурно – функциональный анализ рассматривает организацию аэрации как неотъемлемый компонент решения архитектурного образа здания, равноправный, но не доминирующий по отношению к другим составляющим его компонентам и находящийся в прямой связи с ними.

При оценке рельефа местности климатической области отмечено, что она изобилует водной поверхностью, а именно объект исследования расположен на острове Кижи в Онежском озере. Таким образом мы имеем переувлажнение воздушного бассейна данной климатической зоны.

Испарение воды зависит как от солнечной радиации, так и от перемещения воздушных масс в атмосфере. Таким образом, удалению влаги с поверхности сруба могут способствовать только две характеристики климата – перемещение воздуха и солнечная радиация. Также необходимо учитывать, что и скорость ветра оказывает значительное влияние на испарение влаги.

Наряду с перепадами температуры по сезонам, скорость ветра зависит от характера и рельефа местности. Выбор возвышенности для строительства церкви обеспечивает наиболее благоприятный сухой режим для ее нижнего помещения (подклета) и обусловлен стремлением добиться наиболее эффективной формы удаления влаги со сруба за счет повышенной скорости ветровых потоков. Таким образом, «энергетические» возможности ветра учитывались совместно с вопросами эстетического восприятия церкви при возведении ее на возвышенном месте.

Наряду с особенностями рельефа местности ветровой режим за висит и от сезонных изменений направления ветров. Они оказывают существенное влияние на содержание влаги в воздушном бассейне.

При северном ветре имеет место эффективная аэрация Преображенской церкви, однако при южном ветре ее нижняя часть находится в аэродинамической тени Покровской церкви и колокольни, вследствие чего скорости воздушных потоков во внутренних помещениях значительно снижаются.

Необходимо отметить, что при строительстве церкви, зодчими, в качестве благоприятного с точки зрения притока воздуха, применена северная ориентация наружных прорезных проемов в чердаке и подклете. Указанное расположение рассчитано на приток ветра северных румбов, превалирующих летом. В тоже время ориентация наружных дверных проемов – западная, что обусловлено церковными канонами.

Однако, рассмотренная ориентация наружных проемов в сторону господствующих ветров еще не означает активного использования данных ветров для вентиляции внутреннего пространства церковного сооружения. Данные проемы создают только приток воздуха в помещение, но не обеспечивают организованного перемещения воздуха внутри здания, требующего наличия других проемов – с противоположной стороны сруба и внутри него.

Архитектурно – функциональным анализом установлено, что существовала организованная система воздухообмена, базировавшаяся на упорядоченном расположении приточных проемов. Нарушение аэрации в здании приводит к образованию участков застоя воздушных масс и формированию в этих местах агрессивной среды, разрушающей древесину сруба.

Участки застоя воздуха, где преграждаются пути его перемещения определяют поиск в этих местах завуалированных проемов. Выявить эти участки и проемы в них – означает, раскрыть принцип организации ранее существовавшей системы аэрации.

В Преображенской церкви наблюдается разновысотное расположение приточных проемов. Нижний, приточный проем располагается в северо – восточной части сруба центрального столпа, а верхний – с противоположной стороны. В этом случае используются северные ветры, которые господствуют в летний период. Каждая главка формировала один поток воздуха, направленный в ее сторону. Таким образом, количество главок в церковном сооружении соответствует числу вертикальных потоков воздуха, перемещающихся в нем.

Проникновение наружного воздуха в помещения предопределило использование регулируемых проемов, с помощью которых можно преградить проникновение воздуха внутрь сооружения. Свободное перемещение воздуха в церкви в вертикальном направлении также осуществляется за счет сообщения между собой срубов, внутри которых движется поток воздуха. Скорость вертикального перемещения воздуха зависит как от наличия разновысотного расположения проемов, так и от скорости горизонтального потока воздуха.

Прохождение воздуха через проемы, расположенные на одной высоте, создает область низкого давления выше этих проемов по отношению к находящейся ниже части сооружения. В результате разности давлений поток воздуха перемещается вверх.

В основном вертикальное перемещение воздуха зависит от проема, расположенного в нижней части сооружения. Свойства вертикального потока воздуха зависят от ориентации нижнего проема, так как от его ориентации зависит проникновение в здание тех или иных ветров, имеющих различные влажностные характеристики.

В связи с вышеизложенным ориентация нижних проемов в сторону северных ветров, преобладающих летом, указывает на то, что данная церковь неотапливаемая и может использоваться только в теплое время года. В рассматриваемой Преображенской церкви проемы подклета, чердака и зоны пребывания людей сориентированы на север.

Рассмотренная организация горизонтального и вертикального потоков воздуха в здании еще не свидетельствует об обеспечении сохранности древесины. Сохранность может быть достигнута путем устранения застоя воздушных масс (агрессивной среды) на всех участках постройки. Последнее возможно при условии полного обтекания воздушными по токами всех элементов сооружения, то есть придания движущемуся воздуху конфигурации, идентичной формам внутреннего пространства церкви.

В соответствии с законом аэрации, в конусовидном контуре внутреннего пространства церкви наблюдается возрастание скорости потока воздуха, движущегося в сторону сужения. Скорость потока об ратно пропорциональна поперечному сечению контура, то есть, она возрастает по мере продвижения воздуха в сторону сужения. Таким образом, скорость потока воздуха можно изменять путем изменения поперечного сечения контура. По принципу сужающегося контура, первое помещение по ходу движения воздуха (трапезная) имело большую площадь, чем второе (кафоликон), а второе – большую, чем третье (алтарь). Такая же закономерность наблюдается и в изменении высоты данных помещений, исключая кафоликон (высота трапезной больше высоты алтарного прируба).

Принцип конусовидного сужения использовался и при организации вертикальных потоков воздуха, реализуясь в конструктивно – пластическом решении силуэта церкви, в его формах завершения, будь то шатер, двускатная кровля, бочка, кокошник, главка и т.п. Форма завершения церкви одновременно работала как на усиление аэрации внутренних помещений, так и на обеспечение наилучших условий для скатывания воды с наружной стороны кровли. Таким образом, она способствовала защите кровли от избыточного действия влаги.

Наряду с рассмотренными приемами, зодчие применяли наружные дверные проемы. Проемы Преображенской церкви ориентированы в сторону превалирующих на местности ветров. Ориентация проемов преследовала цель увеличить процесс воздухообмена в помещении подклета, то есть увеличить в нем скорость перемещения потока воздуха. Зодчие объединяют внутреннее пространство подклета путем полного или частичного устранения внутренних перегородок, копирующих рисунок зонирования зоны пребывания человека.

Проследив путь перемещения потока воздуха в подклете, можно обнаружить, что зодчие сформировали со стороны регулируемого дверного проема проход, позволяющий воздуху свободно проникать под помещением трапезной в главное пространство подклета.

Из трапезной воздух поступает в зону кафоликона в виде трех потоков: первый поток перемещается через дверной проем западного прируба в помещение кафоликона, а затем раздваивается и направляется в сторону северного и южного прирубов, второй поток непосредственно проникает из трапезной через тот же дверной проем в северный прируб, третий – аналогично второму, проникает в южный прируб. «Небо» имеет ту же высоту, что и его прирубы, но в центре оно приподнято над ними за счет своей «парусной» формы.

Вследствие этого поток воздуха, перемещаясь из западного прируба в зону потолочного перекрытия в районе «неба», образует вихрь. По законам аэродинамики, поток воздуха отрывается от кромки потолочного перекрытия прируба вверх, струи его закручиваются, образуя вихрь в районе «неба», поток воздуха усиливается и затем уносится в сторону прирубов, примыкающих с севера и юга, то есть, создается «эффект вальца».

В Преображен ской церкви рассмотренные прирубы, в том числе и западный, имеют форму завершения в виде бочек с главками. Эти формы завершения являлись элементами, способствующими выводу потока воздуха из чердачного помещения наружу. В то же время они обеспечивали подтягивание воздушной массы из зоны кафоликона в чердачное помещение через щелевидные отверстия между досками потолочных перекрытий прирубов.

В Преображенской церкви преломление двух плоскостей внутренней крыши по диагонали в плане позволило разделять массу воздуха на четыре равные части с последующей их ориентацией к прирубам, а затем по прирубам вверх. Такое направление потоков потребовало образования в прирубах ступеней, раскрывающихся в чердачное помещение над внутренней крышей с помощью сборно – прорезных проемов.

Конструктивно – композиционное решение позволило объединить пространство верхней и нишей чердачной зоны. В то же время это решение преобразовало одноступенчатую конфигурацию прирубов в двухступенчатую. Дальнейшее продвижение воздуха вверх преграждалось основанием вышестоящего восьмигранного сруба, практически соприкасавшегося с внутренней крышей.

Чтобы предотвратить застой воздушных масс в зоне чердака над покрытием, зодчими была разработана укладка бревен в «реж», позволяющая потокам воздуха проникать через созданные щелевидные зазоры (проемы) между бревнами».

Проанализировав результаты фактически выполненных ранее реставрационных работ, а также представленную документацию, выявлены факторы снижающие воздухообмен с образованием зон застоя воздушных масс.

1. Не выполнены вентиляционные отверстия диаметром 10 см в центральной главе и ее барабане.
2. Не выполнены вентиляционные отверстия диаметром 6-8 см в главках крыш – бочек.
3. Оконные проемы выполнены с без открывающихся створок.
4. Вентиляционные отверстия в плахах пола эксплуатируемых помещениях церкви не выполнены.
5. Автоматизированная система мониторинга влажности деревянных конструкций установлена только в подклете, что не позволяет дать полную картину по увлажнению конструкций с целью ее анализа.
6. Не установлена автоматизированная система мониторинга микроклимата по ярусам церкви (определение температуры, влажности и скорости воздушных масс), что существенно ограничивает анализ и контроль аэрация храма с целью выполнения дополнительных отверстий для притока и вытяжки воздуха.
7. Дверные проемы, являющиеся основным притоком воздуха в большинстве времени закрыты и стоят на охранной сигнализации. Открытие дверных проемов для притока воздуха в подклет осуществляется только по специальному запросу, что несомненно влияет на воздухообмен. Необходимо отметить, что для целей воздухообмена и установки сигнализации выполнены двойные двери, одна из которых сплошная деревянная, а вторая решетчатая – продуваемая. Но при эксплуатации сооружения закрыты обе, что снижает приток воздуха в помещения.
8. Отсутствует общий обязательный регламент поведения по эксплуатации объекта связанный с аэрацией в зависимости от времени года и окружающей среды.
9. Отмечены локальные зоны обильного увлажнения древесины по причине застоя воздушных масс.

1. Завершить выполнение системы аэрации в соответствии с ранее разработанной документацией.
2. Выполнить разработку и внедрение автоматизированной системы мониторинга параметров микроклимата на каждом ярусе характерных конструкций, в т.ч. в зонах притока и вытяжки воздуха.
3. Заполнение оконные проемов выполнить с открывающимися створками согласно ранее разработанному проекту.
4. Выполнить вентиляционные отверстия в плахах пола эксплуатируемых помещениях церкви.
5. Разработать и внедрить решения, обеспечивающие приток воздуха через дверные проемы при включенной в режим «Охрана» сигнализацией.
6. Разработать регламент эксплуатации сооружения в зависимости от времен года и условий эксплуатации (режимы и сроки проветривания, нахождение людей, внешних воздействий – температура, осадки, направление ветра и т.п.). Корректировку разработанного регламента вести ежегодно в зависимости от результатов автоматизированной системы мониторинга микроклимата и влажности деревянных конструкций.

Система естественной вентиляции (аэрации) Преображенской церкви представляет собой уникальное инженерное решение и зависит от множества факторов, а именно: времен года, направлением и силой ветра, количеством осадков. Необходимо отметить, что стремление к уменьшению застойных зон воздушны масс является основным приоритетом дальнейшей работы по реставрации в части сохранения памятника.

Ввиду уникальности используемых инженерных решений дальнейшая реставрация памятника должна базироваться на скрупулёзном ежедневном сборе данных по параметрам микроклимата в заданных точках с целью дальнейшего анализа и корректировки мест расположения приточных и вытяжных отверстий в зависимости от времени года и заранее заданным циклам проветривания.

В настоящее время система естественной вентиляции находится в удовлетворительном состоянии, однако не учет рекомендаций, указанных в настоящем разделе может в дальнейшем привести к дальнейшему прогрессирующему увлажнению деревянных конструкций и как следствию поражения гнилью и разрушению локальных зон сруба.