Часть 2. Инструментальные обследования и компьютерные расчеты окон
А.В. СПИРИДОНОВ, канд. техн. наук, главный научный сотрудник,
Н.П. УМНЯКОВА, канд. техн. наук, заместитель директора,
А.А. ВЕРХОВСКИЙ, канд. техн. наук, главный научный сотрудник,
С.С. ПОТАПОВ, ведущий инженер, НИИСФ РААСН,
Н.Ю. РУМЯНЦЕВ, технический директор,
И.А. ИСТОМИНА, инженер-проектировщик, ООО «ГК «РОБИТЕКС»
Статья посвящена проблемам реставрации светопрозрачных конструкций музея, в частности проведению натурного обследования исторических окон с целью разработки комплекса мер по модернизации существующих окон.
При планировании работ один из руководителей ГМИИ им. А.С. Пушкина предложил организовать полномасштабные эксперименты в климатических камерах НИИСФ РААСН как существующих исторических светопрозрачных конструкций, так и предлагаемых институтом вариантов при различных климатических условиях и условиях микроклимата помещений.
После длительных обсуждений такой вариант был признан слишком дорогостоящим и неоправданно долгим (необходимо было изготовление точных копий исторических светопрозрачных конструкций и многомесячные лабораторные испытания) и был отклонен.
НИИСФ РААСН предложил провести натурное обследование существующей конструкции в одном из помещений музея при отрицательных наружных температурах (это было осуществлено 26 февраля 2018 года при температуре наружного воздуха -15°С), а оценку многочисленных возможных вариантов реконструкции исторических светопрозрачных конструкций провести с использованием компьютерного моделирования и одного из сертифицированных программных комплексов.
Именно так и было решено проводить исследование исторических светопрозрачных конструкций с целью подготовки к их реставрации. Предварительные результаты обследований представлены в [1], а основные требования к работам – в [2].
С целью определения теплотехнически однородных зон обследуемой светопрозрачной ограждающей конструкции и обнаружения зон инфильтрации было проведено натурное обследование с использованием тепловизионной съемки. Для этого была задействована тепловизионная камера NEC TH-9100. Работа проводилась в соответствии с требованиями [3, 4].
Некоторые термограммы обследованных конструкций приведены на рис. 1.
Рис. 1. Термограммы незатененной исторической светопрозрачной конструкции при tн=-15°С, tв=+20°С: а – верхняя часть конструкции, б – нижняя часть конструкции
Для определения приведенного сопротивления теплопередаче светопрозрачной конструкции было проведено натурное испытание с использованием измерителей теплового потока и температуры в соответствии с [5]. Измерения проводились с 28.03.18 по 02.04.18, в период с установившимся перепадом температуры 28.03.18 23:00 – 29.03.18 04:00, когда температура наружного воздуха составляла tн=-10°С, внутреннего воздуха tв=+19,6°С.
Приведенное сопротивление теплопередаче испытанной конструкции по результатам проведенных испытаний находится в диапазоне Rо=0,37-0,39 м2 °С/Вт, по результатам компьютерных расчетов (см. ниже) – 0,34 м2 °С/Вт.
Распределение температур в межстекольном пространстве приведено в табл. 1.
Таблица 1. Зависимость температуры в воздушной прослойке светопрозрачной конструкции от высоты
| Высота, м | Температура, °С |
| 2,90 | 9,5 |
| 1,50 | 7,0 |
| 0,76 | 4,8 |
Испытание на воздухопроницаемость осуществлялось в подсобном помещении реставрационной мастерской. Пeред проведением измерений были загерметизированы двери и другие возможные зоны инфильтрации воздуха.
В дверной проем был установлен комплекс Blower Door (рис. 2). Испытания проводились согласно [6]. При проведении натурного эксперимента были созданы перепады положительного и отрицательного давления до ∆p=±60 Па. При каждом значении перепада давления производились замеры воздухопроницаемости. Затем на основе полученных данных были рассчитаны значения воздухопроницаемости окна при различных перепадах давления, которые представлены на рис. 3 и в табл. 2.
Таблица 2. Воздухопроницаемость светопрозрачной ограждающей конструкции при положительных перепадах давления
| Перепад давления ΔP, Па | Объемный расход воздуха Qв, м3/ч | Массовый расход воздуха, Gв, кг/ч | Воздухопроницаемость | |
| объемная Q1, м3/(ч·м2) | массовая G, кг/(ч·м2) | |||
| 15 | 16 | 19,1 | 2,7 | 3,3 |
| 20 | 18 | 21,5 | 3,1 | 3,7 |
| 25 | 20 | 23,9 | 3,4 | 4,1 |
| 30 | 23 | 27,5 | 3,9 | 4,7 |
| 35 | 33 | 39,5 | 5,7 | 6,8 |
| 40 | 33 | 39,5 | 5,7 | 6,8 |
| 45 | 35 | 41,9 | 6,0 | 7,2 |
| 50 | 40 | 47,8 | 6,9 | 8,2 |
| 55 | 44 | 52,6 | 7,5 | 9,0 |
| 60 | 47 | 56,2 | 8,1 | 9,6 |
Как отмечалось выше, оценка вариантов реконструкции исторических светопрозрачных конструкций музея была проведена с использованием компьютерного моделирования и одного из сертифицированных программных комплексов.
Расчеты теплотехнических характеристик светопрозрачных конструкций: исторических и предлагаемых для реконструкции, а также распределения температур на внутренних поверхностях остекления и профилей металлических рам проводились в соответствии с сертифицированным программным комплексом WINDOW – TECT. Версия 2017. «Теплотехнические расчеты и определение теплотехнических характеристик светопрозрачных конструкций». Сертификат RA.RU.АБ86.Н00994. Срок действия: 01.03.2017-29.02.2020. Комплекс используется в составе программ WINDOW THERM TEMPER согласно [7] при различных граничных условиях для каждого из применяемых вариантов заполнения светопрозрачных конструкций.
Методика основана на моделировании стационарного процесса теплопередачи через строительные конструкции с использованием программного обеспечения для ПК, а также для теплотехнического расчета фрагментов ограждающих конструкций зданий, включая светопрозрачные ограждения, их систем остекления и узлов примыкания оконных блоков к стеновым проемам.
Областью применения методики являются:
– проведение сопоставительного анализа приведенного сопротивления теплопередаче вариантов светопрозрачных ограждающих конструкций различного назначения;
– выбор оптимальных конструктивных решений на основе проведенных теплотехнических расчетов;
– определения размеров расчетных зон одномерного и двумерного температурных полей светопрозрачных конструкций при подготовке к проведению испытаний в климатической камере;
– оценка температурного режима узлов примыкания оконных блоков к стеновым проемам и выбора наиболее рационального конструктивного решения монтажных швов.
Для проведения расчетов были предложены следующие варианты исполнения светопрозрачных конструкций:
Вариант 1 – историческая существующая светопрозрачная конструкция в соответствии с детальными обмерами, проведенными в ходе натурных обследований; светопрозрачное заполнение – прозрачные стекла М1 толщиной 6 мм в наружной и внутренней металлических рамах.
Вариант 2 – то же, что вариант 1, но светопрозрачное заполнение – солнцезащитное стекло толщиной 6 мм в наружной металлической раме; стекло с твердым теплоотражающим покрытием (К-стекло), толщиной 6 мм во внутренней металлической раме.
Вариант 3 – то же, что вариант 1, но светопрозрачное заполнение – солнцезащитное стекло толщиной 6 мм в наружной металлической раме; однокамерный стеклопакет 4-10Ar-4И с внутренним теплоотражающим стеклом во внутренней металлической раме.
Вариант 4 – аналог варианта 1, но светопрозрачное заполнение – однокамерный стеклопакет с наружным солнцезащитным стеклом 4СЗ-10Ar-4 в наружной металлической раме и однокамерный стеклопакет 4-10Ar-4И с внутренним теплоотражающим стеклом во внутренней металлической раме.
Вариант 5 – то же, что вариант 1, но светопрозрачное заполнение – однокамерный стеклопакет с наружным солнцезащитным стеклом и внутренним теплоотражающим стеклом 4СЗ-10Ar-4И в наружной металлической раме и теплоотражающим стеклом с мягким низкоэмиссионным покрытием, с повышенной стойкостью к истиранию, толщиной 6 мм во внутренней металлической раме.
Вариант 6 – наружная рама остается исторической, а внутренняя металлическая рама заменена на аналогичную по размерам, но изготовленную из современного стеклопластика, светопрозрачные заполнения, как в варианте 5 (вариант 6 не был предусмотрен условиями реконструкции и был просчитан для сравнения с современными оконными конструкциями).
Внутренние микроклиматические условия для расчетов приняты в соответствии с проектом реконструкции главного здания ГМИИ – 20°С +/-1°С, относительная влажность воздуха – 50%+/-5%.
Для всех вариантов 1-6 были проведены расчеты при температуре наружного воздуха – 28°С в соответствии с табл. 3.1. [8].
Однако для варианта 1 и лучшего из вариантов 2-5 (по результатам предварительных расчетов) были проведены оценки теплотехнических параметров ограждающих конструкций и при других температурах наружного воздуха:
— для варианта 1 – (-30°С); (-20°С); (-15°С); (-10°С); (0°С); (+10°С); (+21°С);
— для варианта 5 – (-20°С); (-15°С); (-10°С); (0°С).
При проведении комплекса расчетов оценивались:
— приведенное сопротивление теплопередаче всех вариантов светопрозрачных конструкций;
— возможность образования конденсата на внутренних поверхностях остекления.
Результаты компьютерных расчетов сведены в табл. 3.
Таблица 3. Обобщенные данные компьютерных расчетов вариантов реконструкции исторических светопрозрачных конструкций
| № п/п | Вариант остекления | Rпро | tн | Номер рисунка по тексту | tост | Вероятность образования конденсата | tрам | Вероятность образования конденсата |
| 1 | 1 | -30 | 2.2, 2.3 | -1,9 | да | -1,1 | да | |
| 2 | 1 | 0,34 | -28 | 2.4, 2.5 | -1,0 | да | -0,4 | да |
| 3 | 1 | -20 | 2.6, 2.7 | 3,2 | да | 3,5 | да | |
| 4 | 1 | -15 | 2.8, 2.9 | 4,8 | да | 5,5 | да | |
| 5 | 1 | -10 | 2.10, 2.11 | 6,8 | да | 7,7 | да* | |
| 6 | 1 | 0 | 2.12, 2.13 | 11,2 | да** | 11,5 | да** | |
| 7 | 1 | 10 | 2.14, 2.15 | 15,6 | нет | 15,8 | нет | |
| 8 | 1 | 21 | 2.16, 2.17 | 20,4 | нет | 20,4 | нет | |
| 9 | 2 | 0,38 | -28 | 2.18, 2.19 | -0,8 | да | -0,4 | да |
| 10 | 3 | 0,56 | -28 | 2.20, 2.21 | 13,0 | нет | -8,0 | да |
| 11 | 4 | 0,67 | -28 | 2.22, 2.23 | 14,6 | нет | -2,7 | да |
| 12 | 5 | 0,58 | -28 | 2.24, 2.25 | 11,4 | да** | 10,4 | да** |
| 13 | 5 | -20 | 2.26, 2.27 | 11,5 | да** | 11,1 | да** | |
| 14 | 5 | -15 | 2.28,2.29 | 12,6 | нет | 12,0 | нет | |
| 15 | 5 | -10 | 2.30,2.31 | 13,6 | нет | 13,1 | нет | |
| 16 | 5 | 0 | 2.32,2.33 | 16,1 | нет | 15,6 | нет | |
| 17 | 6 | 0,66 | -28 | 2.34,2.35 | 5,8 | да | 12,8 | нет |
Условные обозначения: Rпро – приведенное сопротивление теплопередаче, м2 °С /Вт; tн – температура наружного воздуха, оС; tост – температура по центру внутреннего стекла, оС; tрам – температура внутренней поверхности металлической рамы, оС.
Примечания: * – только в одной ситуации (температура воздуха 19оС, относительная влажность воздуха 45% , температура точки росы – 6,81оС) исключено появление конденсата; ** – только в одной ситуации (температура воздуха 21оС, относительная влажность воздуха 55% , температура точки росы – 11,62оС) возможно появление конденсата.
Из табл. 3 изначально представляется, что светопрозрачные конструкции, изготовленные в соответствии с вариантами 3 и 4 (строки 10 и 11 табл. 3), удовлетворяют теплотехническим требованиям всех действующих нормативных документов и являются лучшими по температуре остекления. Однако при установке во внутреннюю металлическую раму стеклопакетов из-за изменения режима поступления тепла в межстекольное пространство резко повышается вероятность возникновения конденсата на угловых элементах внутренней металлической рамы.
Исходя из проведенных исследований различных вариантов реконструкции исторических светопрозрачных конструкций, эксперты предложили для использования вариант 5.
По результатам многочисленных натурных обследований исторических окон 1-го этажа основного здания Государственного музея изобразительных искусств
им. А.С. Пушкина были сделаны следующие основные выводы:
— характеристики светопрозрачных конструкций (приведенное сопротивление теплопередаче, воздухопроницаемость) не соответствуют действующим нормативным документам;
— конденсат, образующийся на внутренних поверхностях светопрозрачных конструкций в холодные периоды года, отрицательно влияет на произведения искусства, экспонируемые в музее;
— в светопрозрачных конструкциях, выходящих на восточные, южные и западные фасады главного здания музея, необходимо предусматривать специальные солнцезащитные устройства и рассеивающие прямой солнечный свет шторы.
В связи с планирующейся комплексной реконструкцией музея и созданием Музейного городка на Волхонке, а также невозможностью замены исторических светопрозрачных конструкций, являющихся предметом культурного наследия и государственной охраны, на основе результатов обследований и комплекса компьютерных расчетов были разработаны мероприятия по повышению их эффективности. Эти рекомендации будут представлены в следующей статье авторов.
Библиографический список
1. Спиридонов А., Умнякова Н. и др. Исторические светопрозрачные конструкции ГМИИ им. А.С. Пушкина. // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, № 7-8, 2019, с. 40-43.
2. «Комплексная реконструкция, реставрация и приспособление под современные музейные технологии главного здания Государственного музея изобразительных искусств имени А.С. Пушкина (г. Москва, ул. Волхонка, д. 12)» (документация подготовлена Федеральным государственным унитарным предприятием «Центральные научно-реставрационные проектные мастерские»).
3. ГОСТ Р 54852-2011 «Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций».
4 Левин Е.В., Окунев А.Ю., Умнякова Н.П., Шубин И.Л. Основы современной строительной термографии / Под общей ред. И.Л. Шубина. – М.: НИИСФ РААСН, 2012, – 176 с.
5. ГОСТ 26602.1-99 «Блоки оконные и дверные. Методы определения сопротивления теплопередаче» и ГОСТ Р 54853-2011 «Здания и сооружения. Метод определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций с помощью тепломера».
6. ГОСТ 31167-2009 «Здания и сооружения. Методы определения воздухопроницаемости ограждающих конструкций в натурных условиях».
7. Руководство пользователя программным комплексом «WINDOW-TECT» в составе программ THERM, WINDOW. Москва, АПРОК-ТЕСТ, 2006, – 140 с.
8. СП 131.13330.2012. Свод правил «Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99».
