Системы кондиционирования и вентиляции исторических зданий

Сохранение музейных экспонатов является чрезвычайно важной задачей. Однако не менее важно проанализировать причины разрушения зданий, в которых хранятся исторические ценности.

Совокупность исследований, наблюдений и опыта работы с выдающимися историческими зданиями, входящими в музейные комплексы Смитсоновского института (США), привела к расширению требований по обеспечению требуемого микроклимата в помещениях исторических зданий и к принятию новых нормативов, в соответствии с которыми рекомендуется поддерживать уровень относительной влажности на 45 % ± 8 %, а уровень температуры - 21 ± 2 °С.
В ведении Смитсоновского института находятся 16 музейных комплексов, имеющих 434 здания общей площадью более 740 000 м². В этих комплексах устано­влено 62 холодильных станции, 178 центральных кондиционеров, 21 паровая котельная (это без учета пара, потребляемого от городских те­пловых сетей) и 20 аварийных элек­трогенераторов. Управление всем оборудованием осуществляется по­средством систем автоматизации здания; используется в общей слож­ности около 40 000 точек контроля. Большинство людей знает, что Смитсоновский институт владеет цен­нейшим национальным достоянием. Гораздо меньшая часть людей пони­мает, что некоторые из основных му­зейных помещений сами по себе представляют собой определенную историческую ценность. Эти здания середины-конца XIX столетия были сооружены для иных целей, а затем перестроены в музеи или галереи.

Рис. 1. Здание галереи Renwick, построено около 1860 года

Площадь зданий для выставок и мест общего пользования варьи­руется от 12 500 до 140 000 м². Их ре­конструкция подразумевает исполь­зование тех же принципов и техно­логий, что и для небольших зданий, например, применение теплоизоля­ции, устройство пароизоляции, спе­циальная конструкция окон. Однако исторические здания включают в се­бя элементы конструкции, являю­щиеся иногда частью каменных стен. Теплоизоляция таких стен является трудноразрешимой задачей. К со­жалению, без теплоизоляции стен высокая влажность воздуха внутри помещений в зимнее время будет вызывать значительную конденса­цию влаги. В других случаях нельзя закрывать декоративные потолки или уменьшать их высоту для созда­ния пространства для воздуховодов системы кондиционирования. По­этому реконструкция и модерниза­ция крупных исторических зданий почти всегда требует переосмысле­ния их внутренней конструкции.

Интегрированный подход

Определение значений темпе­ратуры и относительной влажности, а также допустимых колебаний пара­метров микроклимата помещений всегда вызывало оживленные и даже ожесточенные споры. В Смитсоновском институте нормативы для новых зданий часто устанавливались при проектировании этих зданий. Норма­тивы для старых реконструируемых зданий устанавливались в основном на основе рекомендаций админи­страции музеев и персонала, ответ­ственного за сохранность экспонатов. При этом надо отметить, что реко­мендации администрации определя­ются в большей степени не техническими соображениями, а необходи­мостью удовлетворения требований финансирующих организаций.

Со временем нормативы по па­раметрам микроклимата помеще­ний все более ужесточались. Если для относительной влажности в зда­ниях вначале считались удовлетво­рительными показатели 50 % ± 10 %, позднее эти требования стали вы­ражаться значениями 50 % ± 5 %. С течением времени нормативы по параметрам микроклимата помеще­ний стали еще более строгими.

Нормативы для выставочных помещений и мест общего пользования

Может показаться, что новые нор­мативы Смитсоновского института по параметрам микроклимата помеще­ний - значения относительной влаж­ности 45 % ± 8 % и температуры 21 °С ± 2 °С - не очень отличаются от старых показателей. Однако эта разни­ца имеет принципиальное значение.

Во-первых, заданное значение относительной влажности пониже­но на 5 % от традиционного значе­ния 50 %.

Во-вторых, для подавляющего большинства музейных собраний эти рекомендации допускают под­держание параметров микроклима­та помещений, соответствующих любой точке прямоугольника, обра­зуемого граничными значениями 37 и 53 % относительной влажности и 19 и 23 °С температуры. Но суще­ствуют и исключения.

Для обширной коллекции мине­ралов Смитсоновского института нельзя определить единые опти­мальные условия среды. Другие объекты музейных коллекций чрез­вычайно хрупки, и любые колебания параметров микроклимата по­мещений могут причинить им вред. Для хранения таких объектов ис­пользуются специальные витрины, обеспечивающие определенный микроклимат. Применение таких витрин довольно дорого, но с их по­мощью обеспечивается изолирова­ние определенных музейных экспо­натов и отпадает необходимость строгого контроля параметров мик­роклимата всех экспозиционных по­мещений или хранилищ.

На решение о принятии новых нормативов повлияли результаты многолетних исследований биологи­ческих, химических и механических механизмов разрушения экспонатов. Вообще, традиционно считается, что такие материалы, как дерево, слоно­вая кость, мездровый клей и некото­рые краски, чрезвычайно чувстви­тельные к изменениям содержания влаги, становятся значительно менее активными, если максимальная от­носительная влажность поддержива­ется на уровне ниже 70 %.

Еще одним фактором более при­стального рассмотрения параме­тров внутренней среды является необходимость определения пара­метров производительности для применяемых в зданиях систем климатизации. Для разработки про­грамм поддержания должной эф­фективности таких систем, позво­ляющих предвидеть их неполадки, выявлять недостатки технического обслуживания, могут использовать­ся процедуры мониторинга и анали­за систем климатизации. Периоди­чески отслеживается и анализирует­ся для выявления определенных тенденций количество времени, при котором температура и относитель­ная влажность остаются в пределах заданных диапазонов. Выявляются вышедшие из строя датчики.

Важны также затраты на потреб­ление энергии. Нормы для помеще­ний, в которых находятся люди, со­держат требования, согласно кото­рым необходимо обеспечение значи­тельных расходов приточного возду­ха для всех зданий. Во время типич­ного зимнего дня (температура на­ружного воздуха 2 °С по сухому тер­мометру и 1 °С по влажному термоме­тру, влагосодержание 3,5 г/кг) кон­диционированный вентиляционный воздух с температурой 20 °С и относи­тельной влажностью 37 % уменьшает влажностную нагрузку на вентиляци­онный воздух наполовину, по отношению к воздуху с температурой 21 °С и относительной влажностью 50 %.

В ходе последних исследований был также сделан обширный обзор условий внутренней среды, обеспе­чиваемых в основных исторических комплексах Европы и Северной Америки.

Выявилась интересная деталь, заключающаяся в том, что не во всех наиболее крупных музеях были приняты условия, характеризую­щиеся относительной влажностью 50 % + 5 % и температурой 21 °С ± 1 °С.

Во многих музеях в странах с хо­лодным климатом успешно поддер­живаются условия внутренней сре­ды в гораздо более широком диапа­зоне допустимых значений.

Например, канадские музейные комплексы имеют, возможно, са­мую давнюю традицию применения интегрированного подхода, обеспе­чивающего условия внутренней сре­ды, пригодные как для коллекций, так и для самого здания. Уже давно канадцы поняли, что в условиях су­ровых зим высокий уровень влаж­ности в помещениях может сказы­ваться на здании самым неблаго­приятным образом. В некоторых му­зеях допускается поэтапное умень­шение относительной влажности до уровня 33 %. (Действующие пред­писания по параметрам внутренней среды для большинства собраний Национальной галереи Канады до­пускают изменения температуры в диапазоне от 18 до 22 °С и относи­тельной влажности от 43 до 50 % при колебаниях влажности в преде­лах + 10 % в течение суток).

Одним из самых важных пре­имуществ снижения требований для параметров микроклимата помеще­ний исторических зданий является то, что в этом случае обеспечивается определенная гибкость конструк­ции системы и ее установки во вре­мя реконструкции здания и моди­фикации системы климатизации.

Галерея Renwick

Галерея Renwick Смитсоновского института в основном содер­жит произведения декоративного искусства, например, современные ремесленные изделия, мебель, из­делия из стекла и керамики. Здание галереи, построенное в 1859 году Уильямом Коркораном (William Wilson Corcoran) и первоначально предназначавшееся для Художе­ственной галереи Коркорана, представляет собой блестящий образец архитектуры имперского стиля. Это было первое здание в Вашингтоне, специально спроектированное для экспозиции произведений искус­ства. Его архитектор Джеймс Ренвик (James Renwick Jr.) проектировал также Смитсоновский замок. В тече­ние почти 50 лет в здании находился Претензионный суд США, после чего в середине 1960-х годов здание пе­решло к Смитсоновскому институту.

В период с 1967 по 1971 год в га­лерее Renwick проводились ин­тенсивные работы по успешному восстановлению наружной и вну­тренней конструкции здания. В ходе этих работ была установлена систе­ма климатизации для поддержания параметров относительной влажно­сти внутренней среды на уровне 50 % с небольшими допустимыми отклонениями. Галерея Renwick была открыта для свободного до­ступа в 1972 году как галерея произ­ведений декоративного искусства. Большой салон, имеющий общую площадь 400 м² и потолки высотой 12 м, должным образом воплощает концепцию традиционной картин­ной галереи.

Здание с общей площадью 3 200 м² построено в основном из кирпича. Его стены толщиной 66 см в некоторых местах имеют дополни­тельное декоративное бетонное по­крытие толщиной 40 см. Было реше­но, что дополнительная тепло- и пароизоляция наружных стен не нужна и непрактична, поскольку такие мас­сивные стены уже сами оказывают некоторый теплоизоляционный эф­фект, к тому же зимы в Вашингтоне обычно не очень холодные. Однако в Вашингтоне могут быть периоды очень холодной погоды, которые могут длиться неделю и более. Когда это случается, внутренняя поверх­ность наружных стен становится со­вершенно холодной.

Холодные стены сами по себе не представляют особой проблемы. Однако развешенные по стенам кар­тины создавали достаточную теп­лоизоляцию для внутренней поверх­ности стен, в результате чего во влажном здании между картинами и стенами температура падала ниже точки росы (около 10 °С). Сочетание холодной поверхности стен, теп­лоизоляционного эффекта картин и относительной влажности около 50 % привело к интенсивному обра­зованию конденсата за многими картинами Большого салона. Этот конденсат формировался около вну­тренней поверхности стены за кар­тинами или непосредственно под ними. На рис. 2 видно, как вода сте­кает из пространства за картиной. Конденсат образовывался на вос­точной, западной и северной стенах Большого салона, которые большую часть дня полностью или частично находились в тени.

Рис. 2. Конденсат, образующийся за картинами.

Сконденсированная влага, стекающая вниз за картиной на внутренней стороне северной стены Большого салона галереи Renwick. Для внутренней среды у поверхности стены за картиной, имеющей температуру 21 °С и относительную влажность 50 %, сформировались условия точки росы

Такое явление происходило на протяжении двух зим. При этом образование конден­сата было настолько интенсивным, что наблюдалось частичное разъе­дание пластикового материала по­крытия поверхности стены.

Затраты на ремонт этих массив­ных стен весьма значительны. Избе­жать этих затрат можно было бы, понизив относительную влажность внутри здания до величины 40 % (для такой влажности температура точки росы равна 7 °С). Оглядываясь назад, стоит признать, что это было бы разумным решением, но в 1998 году многие возражали против какого-либо изменения значения относительной влажности 50%. И зимой 2003-2004 годов вновь образовался конденсат.

В галерее Renwick параметры внут­ренней среды контролируются очень строго. Благодаря этому в Смитсоновском институте в течение 30 лет прово­дили, сами того не ведая, эксперимент по стабильности картинных полотен, находящихся в непосредственной близости к флуктуирующей в широ­ком диапазоне среде застойных «воз­душных мешков» между картинами и стеной. Задняя сторона картин нахо­дилась в среде с относительной влаж­ностью, практически равной 100 %, как это видно на рис. 2.

Летом в Вашингтоне бывает много дней, когда наружная темпе­ратура достигает 35 °С. В этих усло­виях внутренняя поверхность стены за картинами может нагреться до температуры 28 °С. Если температу­ра в галерее удерживается вблизи 21 °С, а относительная влажность - 50 % (температура точки росы рав­на 10 °С), относительная влажность застойного воздуха за картинами падает до величины 35 %.

До того, как было обнаружено об­разование конденсата, параметры среды за картинами не регистрирова­лись. Но как только ситуация стала понятной, выявилось, что в простран­стве за картинами относительная влажность меняется в течение года от 35 до 95 %, и продолжается это более 30 лет. Однако повреждений не было отмечено ни на одной картине. Воз­можно, это объясняется тем, что у каждой картины имеется опорная задняя панель, которая снижает влия­ние колебаний влажности в простран­стве между стеной и картиной. Тем не менее, картины подвергались значи­тельным колебаниям влажности даже в то время, когда влажность во вну­тренних помещениях здания стала поддерживаться на уровне 50 %. Ве­роятно, аналогичная ситуация харак­терна для большинства картин, вися­щих на стенах в музеях и галереях.

Предотвращение конденсации и поддержание картин в более ста­бильном состоянии является двух-этапным процессом, включающим снижение относительной влажности внутри здания зимой и обеспечение циркуляции воздуха за картинами. Для предотвращения образования «мешков» застойного воздуха при развешивании картин между стеной и картиной следует оставлять про­межуток 2 см для небольших картин и 5 см для более крупных картин. При наличии такого промежутка, необходимого для циркуляции воз­духа, ни картины, ни стены не будут подвержены значительным колеба­ниям относительной влажности.

Старое здание бюро патентов

Старое здание бюро патентов изначально проектировалось не­сколькими архитекторами в течение 20 лет. Из-за этого получилось, что два крыла здания значительно раз­личаются между собой по конструк­ции и внешнему виду. Пожаром 1877 года зданию был нанесен серьезный ущерб, и в 1880 году оно было перестроено.

Общая площадь здания состав­ляет 30 600 м², не считая новой под­земной аудитории в центральном внутреннем дворе. Это каменное здание со сводчатыми арками на всех нижних уровнях. Во время реконструкции после пожара к зданию были добавлены полуэтажи боль­шой площади. Эти верхние уровни покрыты шиферными плитками тол­щиной 4 см, уложенными на кован­ные двутавровые балки высотой 30 см, установленные с шагом 1,5 м.

В 1964-1968 годах Смитсоновский институт переоборудовал зда­ние для Национальной портретной галереи и Национального собрания произведений изобразительного ис­кусства, которые в настоящее время называются Смитсоновским музеем американского искусства. Это пе­реоборудование включало в себя установку двухтрубной системы с вентиляторными конвекторами. Каждую весну система переключа­лась с горячей воды на холодную, а каждую осень - наоборот. Система поддерживала относительную влаж­ность на уровне 40-45% в очень хо­лодные зимние дни и на уровне 50-55% - в летнее время. Наблю­давшиеся ранее случаи образования конденсата на северной стене объяс­няются, вероятнее всего, тем, что в холодную зиму старая двухтрубная система с вентиляторным конвекто­ром иногда обеспечивала требуемую относительную влажность в здании на уровне 50 %. Большую часть вре­мени зимой система обеспечивала влажность только в диапазоне 40-45 %. Интересно, что недостаток мощности старой системы фактиче­ски предотвратил ущерб от образо­вания конденсата на внутренней по­верхности северных стен.

Рис. 3. Старое здание бюро патентов. Наверху: каменная кладка в виде сводчатых арок старого здания бюро патентов

В настоящее время в старом зда­нии бюро патентов вновь проводится модернизация системы климатизации. Новая система климатизации является приточной системой, имею­щей четыре больших центральных кондиционера и приблизительно 65 менее крупных блоков, распреде­ленных по всему зданию. Эти неболь­шие блоки обеспечивают требуемые параметры микроклимата в отдельных помещениях. Прокладка возду­ховодов и труб без повреждения ар­хитектурных деталей внутренних помещений является непростой инже­нерной задачей. Некоторые помеще­ния похожи на помещения готического собора. Для установки вертикаль­ных воздуховодов использовались существующие каналы в стенах и фальшивые стены. На рис. 4 пока­зано, как дымоходы старых каминов используются для прокладки труб.

Рис. 4. Прокладка воздуховодов и труб без повреждения архитектурных деталей внутренних помещений является непростой инженерной задачей. Старый дымоход в старом здании бюро патентов используется в качестве канала.

В результате опыта, полученного при эксплуатации галереи Renwick, для старого здания бюро патентов в настоящее время предлагаются сле­дующие параметры микроклимата: относительная влажность 45% ± 8%, температура 21 °С ± 2 °С. Предполага­ется применение влагоизоляции, но наружная стена не будет покрываться никакой изоляцией. Будут использо­ваны окна с повышенными теплоза­щитными характеристиками.

Дом произведений искусства и промышленности

Дом произведений искусства и промышленности был спроекти­рован архитекторами Клуссом и Шульцем (Cluss, Shultz) и открыт как Национальный музей США в 1881 году. Это кирпичное здание, крыша которого опирается на ферму из ко­ваного железа. Крыша покрыта ли­стами кованого железа. Для предот­вращения пожара в конструкции не используется никаких деревянных элементов. Здание имеет общую площадь 17 200 м², при этом экспо­зиционная площадь составляет 7 400 м². Потолок имеет высоту от 9 до 12 м над полом. Оригинальная ферма из кованого железа, желез­ные панели крыши центрального зала здания и четыре основных кры­ла здания видны с уровня земли.

Рис. 5. Северный вход Дома произведений искусства и промышленности. Это было первое здание, построенное для экспонирования коллекции Смитсоновского института

В 1970-х годах Дом произведе­ний искусства и промышленности был подвергнут значительной ре­ставрации для восстановления вида XIX столетия, в ходе которой с це­лью поддержания требуемых пара­метров микроклимата была уста­новлена система климатизации. Во время реставрации над исходным материалом крыши из листового железа были установлены деревян­ные распорные блоки 5х10 см и была проложена стекловолоконная теплоизоляция. Новая теп­лоизоляция была закрыта второй крышей из медных листов со свин­цовым покрытием. Деревянные рас­порные блоки были обработаны огнеупорными солями, представляющими собой смесь из сульфата аммония, аммиачного дигидрогенного фосфата и борной кислоты. Пароизоляция не устанавливалась.

На корпусе здания наблюдались значительные разрушения. Зимой водяной пар проникал в деревянные конструкции и слой стекловолоконной теплоизоляции, после чего он конденсировался в воду, насыщав­шую дерево и стекловолоконную те­плоизоляцию. Относительная влаж­ность в слое теплоизоляции достига­ла 80%, а огнеупорные соли спо­собствовали впитыванию водяного пара в дерево. Соляной раствор бук­вально лился внутрь здания. Соли также ускоряли коррозию материа­лов из железа, и с потолка высотой от 9 до 12 м начали падать «хлопья» ржавого железа. На рис. 6 показана степень коррозии конструкции кры­ши. Эти, а также другие проблемы конструкции стали причиной недав­него закрытия здания.

Рис. 6. Коррозия крыши в Доме произведений искусства и промышленности. Основными причинами этой коррозии являются высокая влажность и огнеупорные соли в деревянных распорках теплоизоляции крыши

Улучшение теплоизоляции кры­ши Дома произведений искусства и промышленности было попыткой поддержания требуемого уровня качества внутренней среды. Плохая теплоизоляция, пропускающая настолько много тепла, что таял снег на крыше, возможно, спасла здание от разрушения в период суровой зимы 2002-2003 годов.

Конструкция Музея железной дороги Балтимора и Огайо в близ­лежащем Балтиморе была практи­чески идентична главному залу Дома произведений искусства и промышленности. В ту зиму крыша главного зала музея железной до­роги Балтимора и Огайо рухнула под тяжестью слоя накопившегося снега толщиной 58 см.

Обеспечение микроклимата в по­мещениях нечасто связывается с со­хранением целостности конструкции, но в старых зданиях эти два понятия могут быть объединены. При плани­ровании реконструкции старого зда­ния в экспозиционных целях важно рассмотреть, к каким объектам и к каким требованиям по параметрам внутренней среды может быть адап­тировано здание. В Доме произведе­ний искусства и промышленности поддержание высокого уровня отно­сительной влажности для защиты экспонируемых объектов нанесло ущерб зданию. Множество музейных экспонатов, таких как машинное обо­рудование, исторические инструмен­ты и поезда, может без ущерба для них выставляться при пониженной относительной влажности в зимнее время, при этом здание может быть достаточно просто приспособлено к таким условиям.

Выводы

Защита коллекций предметов культуры и истории, а также зданий, в которых хранятся эти экспонаты, требует комплексного подхода к обеспечению необходимой темпе­ратуры и относительной влажности внутри здания. Исследования пока­зывают, что не существует единой комбинации параметров микрокли­мата, удовлетворяющего требова­ниям всех объектов. Однако требо­вания для зданий и большинства со­браний соответствуют довольно ши­рокому и приемлемому набору условий. Экспонаты, для которых требуется более жесткие параметры, могут сохраняться в условиях конт­ролируемого микроклимата.

Применение комплексного под­хода, учитывающего потребности самого здания, а также потребности музейной коллекции, может умень­шить разрушение экспонатов и зда­ний. Этот подход устанавливает так­же важность контроля надежности и эффективности систем здания, под­держивающих условия внутренней среды. Наряду с защитой зданий, являющихся частью национальной истории, более гибкий подход к контролю внутренней среды сни­жает затраты строительства или ре­конструкции, уменьшает затраты на потребляемую энергию, позволяет снизить затраты на техническое об­служивание, связанные с заменой окон, фасадов и элементов кон­струкции.