На Хабре часто пишут о квартирной вентиляции и её автоматизации. Такие кейсы интересны необходимостью достигать результатов, используя достаточно простые и не затратные компоненты. А в данной статье хотелось бы рассказать о другом конце спектра климатики и автоматизации - построении системы отопления в сильно-историческом здании. Работе, которая начиналась даже не с проектирования, а с математического моделирования...

Собор "Спас на крови" имеет тяжелую судьбу. И хотя после окончания долгой реставрации, воспетой в песнях, его жизнь наладилась, но время шло. А так как собор - это не только стены, но и различные системы жизнеобеспечения, то смонтированные во время реставрации инженерные системы ветшали и постепенно заменялись на современные. Так пришло время замены и системы отопления.

Существовавшая система отопления была сделана в советские годы хоть и основательно, но очень громоздко. Оборудование воздушного отопления занимало практически весь подвал. Было настолько тесно, что в некоторые помещения вообще можно было пройти только боком. В целом система отопления со своими задачами справлялась, но, как когда-то говорилось, «были отдельные недостатки»: сквозняки и холод у входных дверей (а ведь это постоянные рабочие места сотрудников собора-музея); низкая температура воздуха в алтаре; отсутствие организованной вентиляции в подвале. Охлаждение в существовавшей системе вентиляции предусмотрено не было. Как следствие, летом собор сильно прогревался, и температура воздуха внутри значительно превышала комфортную. Очевидно, что большой разброс температур также не способствовал сохранности мозаик, росписей и других культурных ценностей.

Разумеется, в историческом соборе никто бы не дал прокладывать воздуховоды "под потолком" :)
Поэтому проработка решения началась не со стандартного инженерного проектирования, а математического моделирования движения воздушных масс и распределения температур внутри собора. Расчёты показали и низкие температуры со сквозняком у входных дверей; и низкую температуру воздуха в алтаре; и эффект «стекания» холодного воздуха из алтаря. Таким образом, было объективно подтверждено то, что ранее ощущалось просто как недостаток комфорта. Для исправления ситуации было предложено установить более мощные воздушно-тепловые завесы на входе и рассчитано дополнительное количество тепла для алтаря. Моделирование охлаждения собора в летний период показало, что при подаче охлажденного воздуха, в нижней части основного объема собора образуется холодная воздушная подушка. Воздушная подушка оказалась склонна к «вытеканию» из собора через открытые двери, для предотвращения этого было рекомендовано использовать воздушно-тепловые завесы в режиме отсечки. Кроме того, была проработана технология использования "воздуховодов 19 века", проложенных внутри кирпичных стен во время строительства собора.

Для отопления основного объема собора заложено четыре приточно-рециркуляционные установки, при этом для полноценного отопления собора достаточно трех, поэтому любая из четырех машин является запасной. Подача воздуха организована через многочисленные внутристенные каналы, выходящие в «подоконниках» окон, забор воздуха на рециркуляцию происходит через каналы, выведенные под лавки.

Была поставлена задача обеспечить охлаждение воздуха в летнее время. При выборе холодильных машин возникла проблема с размещением конденсационных блоков – ставить их оказалось просто некуда. Применить холодильные машины с воздушным охлаждением тоже не получалось – они требовали большое количество наружного воздуха, которое не обеспечивал приточный воздуховод, да и требовали такое количество электроэнергии, которое не обеспечивал ГРЩ собора. Была мысль применить водяное охлаждение – ведь сбор стоит на канале Грибоедова, но организация водозабора нарушила бы целостность гидроизоляции фундамента собора, а в то, чтобы надежно гидроизолировать фундамент были вложены огромные усилия как при строительстве собора, так и при его реставрации.

Проектировщики системы воздушного отопления и охлаждения предложили красивое решение – установить холодильные машины с адиабатическим охлаждением, при этом достигается баланс доступного наружного воздуха (за счет использования испарительного охлаждения требуется меньше воздуха), водопроводной воды (ее оказалось достаточно в соборе) и электроэнергии (поскольку не надо прогонять лишний воздух). Выброс отработанного воздуха организован во внутристенные каналы, выходящие на кровлю.

При подсоединении к внутристенным каналам произошло несколько курьезов, связанных с тем, что каналы идут в стенах в два ряда, причем многие из них идут под наклоном. Соответственно, некоторые каналы, показанные на исторических чертежах на нулевой отметке, выходят в подвале совсем в другом месте, при этом вместо них выходят каналы из другого ряда. Полностью восстановить схему каналов в стенах нам так и не удалось, но со второго раза все же получилось подсоединить воздуховоды правильно.

Еще одно решение вызвано спецификой расположения собора. Дело в том, что наиболее холодный северо-восточный ветер дополнительно усиливается вдоль канала Грибоедова и с большим напором влетает во входную дверь. Для тепловой завесы на входе было предложено необычное решение - завеса на входе состоит из трех отдельных завес: двух вертикальных высотой 1,5м и одной горизонтальной, работающих одновременно. Вертикальные завесы создают двойную отсечку воздуха в нижней зоне, а мощная горизонтальная завеса – в верхней.

Для контроля параметров воздушной среды в наиболее характерных местах установлены датчики температуры и влажности: четыре датчика по углам основного объема собора, два в алтаре, по одному у входов и еще два на самом верху, на барабане собора.

Четыре приточно-рециркуляционные установки и приточно-вытяжная установка подвальных помещений оборудованы щитами управления, каждая со своим контроллером автоматики, тепловые завесы и конвекторы в алтаре управляются еще двумя щитами, также установлен щит управления в ИТП. Контроллеры в щитах автоматики и контроллеры холодильных машин соединены сетью Bacnet/IP со SCADA системой на 5000 точек данных.

Приточно-рециркуляционные вентмашины и конвекторы в алтаре запрограммированы на совместную работу по датчикам температуры и влажности с целью поддержания оптимальной температуры во всем объеме собора. Тепловые завесы работают автономно по датчикам движения и температуры в тамбурах.

Прошедшая зима показала правильность модели и выполненных на ее основе теплотехнических расчетов. В сложном историческом здании собора поддерживается желаемая температура воздуха. Причем это произошло без привлечения дополнительных энергоресурсов, потребляемая собором тепловая мощность даже несколько снизилась.

Авторы: Аржаников Ростислав, к.т.н.; Осовский Кирилл