Понятие о микроклимате и его основные характеристики

Реставрация и консервация неизбежно связаны с тем или иным вмешательством в структуру памятника, и всегда в какой-то мере изменяют эту структуру. Поэтому очень важно создать условия, позволяющие возможно долго обходиться без такого вмешательства или свести его к минимуму. Решение этой задачи во многом сводится к учету тех параметров окружающей среды, которые так или иначе влияют на функционирование и сохранность памятников архитектуры, и к созданию условий этой среды, соответствующей наилучшей сохранности реставрируемого объекта.

Для понимания сущности средств и методов создания условий воздушной среды, обеспечивающих сохранность памятников архитектуры, необходимо иметь представление о температурном и влажностном режимах как воздушной среды сооружения, так и ограждающих конструкций здания. Важно также уметь оценивать и влияние на сооружение внешних условий окружающей среды.

Под микроклиматом помещений в широком смысле этого термина понимают, с одной стороны, состояние воздушной среды, с другой, — температурные и влажностные характеристики ограждающих конструкций и предметов, находящихся в здании или помещении (мебели, предметов искусства, оборудования и др.). Параметры воздушной среды внутри помещения и температура внутренних поверхностей ограждений и находящихся в нем предметов, воздействуя комплексно, формируют те или иные качества микроклиматических условий. Эти условия могут быть как благоприятными, так и неблагоприятными.

Оценка степени благоприятности микроклиматических условий всегда подразумевает учет двух групп требований. Первая группа — это так называемые санитарно-гигиенические требования, т.е. обеспечение условий комфортного пребывания в помещении людей, поэтому их часто называют комфортными. Вторая — технологические требования, к числу которых следует отнести и необходимость обеспечения условий сохранности как самих строительных конструкций, так и элементов интерьеров и тех предметов, что находятся в помещениях.

Для понимания содержания качества микроклимата полезно иметь в виду, с одной стороны, перечень определяющих его параметров воздушной среды, а с другой, — методы учета комплексного воздействия последних.

Итак, состояние воздушной среды с позиций микроклимата определяется тремя параметрами: температурой воздуха tв; относительной влажностью воздуха ф, которая представляет собой отношение количества водяного пара, находящегося в воздухе данного состояния, к тому количеству, которое насыщает воздух при данной температуре (выражается либо в процентах, либо в долях единицы); подвижность воздуха v, т. е. скорость его перемещения без учета направления.

Четвертый параметр, существенно определяющий микроклиматические условия, — так называемая результирующая температура, которая в самом простом представлении является средневзвешенной температурой окружающих строительных поверхностей и предметов, т. е. отношением суммы произведений температуры на площадь соответствующей поверхности к сумме площадей поверхностей.

Заметим, что комфортному состоянию людей соответствует довольно широкий диапазон изменения названных выше параметров. Более того, одинаковое тепловое состояние человека и одинаковые тепловые ощущения могут иметь место при различных комбинациях метеорологических параметров воздуха. Так, при повышении температуры для сохранения первоначального теплового состояния можно увеличить подвижность воздуха или понизить температуру ограждающих конструкций. Для оценки комплексного воздействия введены шкалы эквивалентно-эффективных температур (ЭЭТ) и результирующих температур (РТ). Например, ЭЭТ соответствуют все бесчисленные комбинации температуры, относительной влажности и подвижности воздуха, вызывающие одинаковые тепловые ощущения у человека, причем такие, которые возникают в неподвижном воздухе, полностью насыщенном водяным паром при температуре, численно равной эквивалентно-эффективной.

Если оценить перечисленные выше параметры для наиболее часто встречающихся ситуаций, то можно получить следующие диапазоны, более или менее соответствующие комфортному состоянию людей: температура воздуха 18— 22 °С; относительная влажность воздуха 40—70%; среднерациональная температура окружающих поверхностей 14— 18 °С.

Правильно организованный температурно-влажностный режим оказывает огромное влияние на обеспечение долговременной сохранности реставрируемых памятников архитектуры, а также сохранности исторических и художественных ценностей в музейных, культовых и других старинных зданиях. Требования к микроклиматическим параметрам воздуха в этих зданиях определяются, как правило, материалом ограждающих конструкций и предметов, хранящихся в рассматриваемых зданиях и сооружениях.

Таблица 1. Параметры температурно-влажностного режима воздуха при ЭЭТ=18 °С

Температура, °С	18,0	20,0	18,9	21,1	20,0	22,2	23,3	24,0
Относительная влажность, %
Подвижность, м/с					0,25	0,25	1,0	1,0

Анализ табл. 1 свидетельствует о том, что материалы и экспонаты предъявляют более жесткие требования к их влажностному состоянию по сравнению с их тепловым состоянием. Связано такое положение с тем, что большинство строительных материалов (кирпич, бетон, штукатурка, дерево и др.) точно так же, как и музейные экспонаты, представляют собой капиллярно-пористую структуру с весьма развитой системой капилляров.

В основе механизма взаимодействия капиллярно-пористых тел с влажным воздухом лежат адсорбция и десорбция парообразной влаги.(т. е. ее поглощение и выделение) системой капилляров, стенки которых смачиваются водой, образуя при этом вогнутый мениск. Направление переноса влаги зависит от знака разности парциального давления водяного пара в воздухе Рnb и непосредственно над поверхностью мениска (внутри капилляра) Рnk

Влажный воздух можно рассматривать как смесь, состоящую из сухой части (кислород, азот, углекислота и инертные газы) и водяного пара. Эта смесь находится под барометрическим давлением, представляющим собой сумму давлений сухой части и водяного пара, которое и принято называть парциальными.

При Рnb> Рnk имеет место поглощение материалом парообразной влаги из воздуха и, наоборот, когда Рnb < Рnk' материал испаряет влагу в воздух. При поглощении и испарении влаги меняются размеры тела, т. е. имеют место так называемые влажностные деформации, которые способствуют постепенному разрушению капиллярно-пористого тела. Особенно неблагоприятны ситуации, когда темп изменения Рnb, достаточно высок. Иногда и такое положение имеет место при применении в помещениях систем механической вентиляции и кондиционирования воздуха с достаточно большими диапазонами изменения регулируемых параметров температуры и влажности.

Длительное пребывание материала в воздухе с постоянной влажностью приводит к тому, что Рnb становится равным Рnk', и материал приобретает так называемое равновесное (стационарное) состояние. Каждому материалу соответствует вполне определенное равновесное состояние, которое наиболее благоприятно для его физико-химических, прочностных и других качеств и гарантирует длительную сохранность. Такие оптимальные значения относительной влажности (при условии их относительного постоянства во времени) и приведены в табл. 2.

Таблица 2. Рекомендуемые параметры температурно-влажностного режима для различных материалов и экспонатов

Материал и экспонат	Температура, °С	Относительная влажность, %
Стекло «корродированное»	18—24
Эмали «выщелочные»	18—24
Металлы, их сплавы, оружие нумизматика	18—24	15—40
Археологические экспонаты	18—24	20—30
Изделия из стекла	18—25
Эмали	18—24
Изделия из кожи, пергамент	18—24	40—50
Ткани, одежда, ковры	18—24	40—50
Изделия из кости	18—24	40—60
Живопись на холсте	18—24	50—60
Лакированные изделия	18—24	50—60
Рукописи, книги, рисунки литографии	18—25	45—60
Живопись на дереве	18—25	40—60
Керамика, фарфор	18—25	40—60
Фотодокументы	10—12	50—60
Мебель	18—25	40—60

При оценке состояния ограждающих конструкций довольно часто приходится отыскивать причины их переувлажнения и выпадения конденсата либо на поверхности этих конструкций, либо в их толще. Оценки эти, как правило, связаны с определением температуры точки росы tp.

Удельное содержание влаги в воздухе (в расчете на 1 кг сухой его части) называется влагосодержанием d. Можно показать, что при неизменном барометрическом давлении парциальное давление водяного пара в воздухе зависит только от влагосодержания, т. е. Рn = f(d), и не зависит от температуры. Поэтому при нагревании или охлаждении воздуха, до тех пор пока не меняется его влагосодержание, парциальное давление водяного пара остается неизменным, а давление насыщения (парциальное давление насыщенного водяного пара), зависящее от температуры [Рny = f(t)], при этом изменяется. Следовательно, изменяется также и относительная влажность воздуха.

Рассмотрим процесс охлаждения влажного ненасыщенного воздуха при постоянном влагосодержании. При понижении температуры парциальное давление ненасыщенного водяного пара остается неизменным, поскольку не меняется влагосодержание, а давление насыщенного водяного пара снижается из-за падения температуры. Следовательно, относительная влажность воздуха растет.

Наконец, при некоторой температуре tp неизменное парциальное давление водяного пара станет равным максимально возможному при этой температуре давлению насыщенного водяного пара, а относительная влажность — равной единице, т. е. влажный воздух достигает состояния насыщения. При дальнейшем охлаждении влажного воздуха уменьшается его влагосодержание и начинается выпадение из него конденсата.

Температура tp, при которой парциальное давление водяного пара будет давлением насыщения, называется точкой росы влажного воздуха (температурой точки росы).

При теплотехнических расчетах ограждений производится проверка значений температуры внутренних поверхностей на предмет отсутствия выпадения конденсата.

Качество воздушной среды в помещениях памятников архитектуры определяется не только температурой и влажностью воздуха, но также его запыленностью, загазованностью, бактериальной загрязненностью, уровнем ионизации и другими факторами.