История отопления

Отопле́ние — обогрев помещений с целью возмещения в них теплопотерь и поддержания на заданном уровне температуры, отвечающей условиям теплового комфорта и(или) требованиям заказчика.

(по материалам Википедии)

В наше время уже невозможно представить себе комфортного существования без сложных отопительных приборов, обогревающих наши дома и рабочие места в прохладную погоду.

Первичные «отопительные системы» появились еще и в каменном веке. Древние люди разводили в своих жилищах костры, которые согревали их в непогоду (а заодно и служили «плитой» для приготовления пищиJ )

С развитием человеческого общества эволюционировали и приспособления для обеспечения его комфортного существования. Так примерно за пару веков до нашей эры появились первые отопительные печи с дымовыми трубами для отвода продуктов горения. Эти печи используются и по сей день, претерпевая различные усовершенствования, направленные на увеличение их эффективности. К примеру, классическая двухъярусная русская печь имела самый высокий КПД среди своих «сестер» — 60-80%, то есть была близка по КПД к современным котлам.

Большой вклад в «отопительную историю» человечества внесли инженеры Древнего Рима. Там имелись свои аналоги «теплого» пола — сети специальных каналов, проходящая в стенах и под полом, через которые пропускались горения от печи.

Так же именно римляне придумали центральное отопление. Они не стали строить печки в каждом помещении, а сделали в отдельном, специализированном помещении, печь, от которой и пускали сеть каналов. К слову сказать, это было настоящим прорывом и важным этапом в истории отопления. Сейчас, конечно, эта система, имеющая звучное название «гипокауст», утрачена в Европе (в Испании она называлась «глория» и сохранялась вплоть до ХХ века).

Интересно, что именно в Древнем Риме приобрел свой современный вид и камин (от лат. Caminus — открытый очаг), который устанавливался в центре помещения и максимально окружался теплоаккумулирующими материалами (каменный портал, каменный дымоход, каменная противоположная стена), что предотвращало как перегрев во время топки, так и быстрое потухание огня. Камин имел и еще одну немаловажную функцию — вентиляционную, она осуществлялась за счет тяги в дымоходе.

Своеобразную революцию произвело изобретение огневоздушной системы отопления, получившей название, безусловно, ласкающее слух всем русским людям, «русская система». Смысл ее был в том, что холодный воздух через воздухозаборную шахту подводился к печи, нагревался, касаясь ее раскаленной поверхности, и по вертикальным и горизонтальным воздухораспределяющим каналам проходил в обогреваемые помещения. Оттуда отдавший теплоту воздух по вытяжным каналам отдавался обратно в атмосферу. В этой системе циркуляция воздуха была естественной благодаря разности плотности горячего и холодного. Эта система так же помимо обогрева помещения осуществляла его вентиляцию.

В XV-XVIII веках были распространены глиняные и кирпичные печи, в богатых домах, правда, можно было встретить изразцовые, считавшиеся большой роскошью, а на Тульском заводе изготавливали чугунные и стальные нетеплоемкие печи.

Первые «шведские» печи (они представляли собой печь, оснащенную вытяжной камерой и «кухонной плитой») с более доступными изразцами были изготовлены по указу Петра I в 1706 году, они, кстати, имеют несколько видов конструкций и популярны до сих пор. Широкое распространение в Петербурге в 30х годах того времени получили «дровосберегающие» печи с горизонтальным змеевиком дымохода, однако уже после 1742 года люди отдали свое предпочтение печи с «колодцами» (вертикальным змеевиком).

Наряду с огневоздушным отоплением, которое применялось в вышеназванных печах, в XVIII веке стало развиваться и водяное отопление. В 1777 году была изобретена водная система отопления с естественной циркуляцией. Свою новаторскую идею французский инженер М. Боннеман применил для обогрева инкубаторов. Здесь следует отметить, что в дальнейшем основные принципы и инженерные решения этой системы нашли свое применения в отоплении жилых помещений и используются и в наши дни.

Первой оригинальной русской работой по отоплению стала книга «Русская пиростатика», написанная Н.А. Львовым в 1795 году. В ней автор раскритиковал увлечение весьма неэффективными иностранными фигурными печами и предложил изобретенные им усовершенствования отопительных установок, а так же основы конструирования и расчеты систем огневоздушного отопления. Так как в этот период распространились многоэтажные здания, появилась необходимость в централизованном отоплении. Здесь пришлась как нельзя кстати «русская система», используемая ранее для двухэтажных сооружений. В 1799 году Львов выпускает свое второе «детище» — книгу «Русская пиростатика или употребленiе испытанныхъ каминовъ и печей», в одном из разделов которой он предложил конструкцию, напоминающую калорифер, к несчастью, оказавшуюся недостаточно эффективной.

Инженерная мысль не стояла на месте, в XIX веке началось широкое распространение водяных и паровых систем отопления. Собственно, толчком для появления последних стало повсеместное использование паровых машин. Промышленные помещения было тяжело отапливать из-за их большой площади, поэтому отработанный пар пришелся как нельзя кстати.

Уже в 1802 году в прессе Российской империи появились заметки о возможности использования пара для отопления помещений, а в 1816 году в г. Петербурге уже существовала теплица, в которой данная идея была реализована.

Значительный вклад в развитие огневоздушного отопления сделал немецкий профессор Мейснер, написавший книгу «Руководство к отоплению зданий гретым воздухом»

В XIX веке появляется еще одно изобретение из разряда «огневоздушных», популярность которого вспыхнула и погасла быстро, подобно звезде — печь Уттермарка. В оригинальном своем варианте она была круглой и плотно выкладывалась особым кирпичом, сделанным по лекалам, в своей конструкции она так же имела медные трубы с коленами, проходя через которые нагревался комнатный воздух. Печь была довольно дорогостоящей, поэтому появился «удешевленный» ее вариант (кстати, именно он и вызвал ажиотаж среди потребителей): печь была сделана из обычного кирпича и имела металлическую «рубашку». Почему же люди разочаровались ней? Это произошло из-за плохих санитарно-гигиенических характеристик: контактируя с раскаленной поверхностью печки воздушная пыль пригорала и плохо пахла).

В 1834 году в России появляется первая система водяного отопления с естественной циркуляцией профессора П.Г.Соболевского, а уже в 1875 году — первая не только в России, но и в Западной Европе квартира, имевшая отдельную систему водяного отопления с использованием плоских отопительных приборов, которые были сделаны в виде пилястр. В этой системе вода подогревалась в небольшом нагревателе, который устанавливался в кухонном очаге.

1835 год знаменуется появлением «амоссовской» печи — первого в мире калорифера, представленного ученым Н.А. Амосовым, который для своего изобретения обобщил идеи Львова и Мейснера. Работала эта система «пневматического» отопления довольно схоже с «русской» системой — нагретый воздух под действием разности плотностей поднимался по «жаровым» металлическим каналам в помещение. Впервые это нововведение было установлено в Императорской Академии художеств. Там оно себя хорошо зарекомендовало и к 1841 году в России насчитывалось уже свыше 420 «больших и малых пневматических печей», установленных в крупнейших зданиях, таких как Эрмитаж, Зимний дворец, Придворный Манеж. Как и любая система, «амоссовская» печь помимо достоинств имела свои недостатки, многие из которых были весьма незначительны: система издавала низкий гул при топке, пересушивала воздух, а так же потрескивала во время грозы. Однако, самым крупным недостатком ее были раскаленные «жаровые» воздуховоды, перегревавшие стены, которые оказывались рядом, уничтожая драгоценные росписи, а пыль на них пригорала, издавая неприятный запах, или, что еще хуже, взлетала, покрывая сажей весь интерьер комнаты. Конечно, сам изобретатель никак не соглашался с нареканиями в адрес своего «детища» и списывал все проблемы с печью на «лень и неряшество истопников».

В XX веке появились системы отопления с принудительной циркуляцией, которая осуществлялась с помощью насосов. Это стало возможным благодаря началу промышленного выпуска электродвигателей.

Сегодняшние передовые технологии позволяют сохранять тепло наших домов без создания какого-либо дискомфорта. Современные ученые успешно используют наработки своих предшественников, с каждым днем совершенствуя технологии обогрева жилищ и рабочих мест населения всего земного шара. Самым лучшим видом отопления в настоящее время является газовое отопление в силу того, что природный газ является наиболее эффективным, экономичным, экологически чистым и безопасным видом топлива.

Когда появилось первое отопление

Что такое отопление?

Отопление — это искусственное обогревание помещений и зданий с возмещением тепловых потерь для поддержания в них температуры на заданном уровне. Температура определяется комфортом находящихся в помещениях людей и требованиями протекающего технологического процесса. Для отопления предусматривают отопительную установку.

Отопление зданий в Древнем мире и средних веках

Отопление гораздо древнее кондиционирования воздуха (напомним, первый кондиционер появился в 1902 году). История отопления восходит к кострам, разведенным первобытными людьми в пещерах и насчитывает уже много тысяч лет.

В Древнем мире в одно и то же время встречались технические устройства отопления, стоящие и на самом низком и на достаточно высоком уровнях. Самый простой и древний способ отопления путем сжигания топлива внутри помещения соседствовал с центральными установками водяного и воздушного отопления. Так, в городе Эфесе, основанном в Х в. до н.э. на территории современной Турции, для отопления уже в то время использовались системы трубок, в которые подавалась горячая вода из закрытых котлов, находящихся в подвалах домов. Римская система воздушного отопления «Хюпокаустум» (=снизу согретый), созданная в Римской империи, была устроена так: наружный воздух нагревался в подпольных каналах, предварительно прогретых горячими газами, и поступал в отапливаемые помещения. По такому же принципу обогревались помещения замков в Германии в Средние века.

Костры, очаги и примитивные печи использовались в жилищах бедняков, водяное и воздушное отопление — в дворцах и банях знати. Это различие в отопительных установках, имевшееся 2000- 3000 лет назад, существовало и в средние века. В течение нескольких тысячелетий для отопления жилищ применялись глинобитные печи, топившиеся «по-черному» с отводом дыма в помещение и через него наружу. В дворцах устраивалось центральное огневоздушное подпольное отопление, обнаруженное при раскопках на территории Хакасии в Сибири, Древних Китая и Греции.

В XVIII в. в Англии и Франции были изобретены (хотя отдельные установки встречались и ранее) системы парового и водяного отопления. Они сначала применялись для отопления оранжерей и теплиц, а потом, с начала следующего столетия, и зданий.

История отопления в России

В Древней Руси широко применялся курной очаг (без дымовой трубы). В России лишь в XV — XVI вв. печи в жилых помещениях были дополнены трубами и стали называться «белыми» или «русскими». Первоначально дымовые трубы, которые назывались дымницами, выполняли из древесины в виде толстого теса, что было пожароопасным. В период интенсивного развития городов в XVI-XVII вв. русская техника достигла высокого уровня. Основным центром печного искусства и выучки мастеров печных дел в период со времени создания Русского государства и до второй половины XVII в. была Москва. Здесь зарождались прогрессивные конструкции и новые архитектурные формы отопительных печей, разрабатывалась технология изготовления печных изразцов, строились кирпичные заводы и чугунолитейные фабрики, изготовляющие печные приборы.

Существенный сдвиг в печном деле произошел во время Петровской эпохи. В 1718 г. указом Петра I было запрещено строительство в Петербурге домов с курными печами и деревянными трубами, а в 1722 г. этот указ распространился и на Москву (непонятно, как люди жили до этого в своих черных, пропитанных сажей избах). Одновременно расширялись существующие и сооружались новые кирпичные заводы. Были изданы обязательные правила кладки наиболее важных элементов печей. В это же время было развито производство печных отделочных материалов. Вместо рельефных тисненых изразцов в печном деле стали применять гладкие расписные изразцы голландского образца. В связи с этим отечественные отопительные толстостенные печи неправильно стали называть голландскими или «голландками». По документальным источникам установлено, что в XVIII и в начале XIX вв. русское печное искусство занимало ключевые позиции в Европе.

Появились системы воздушного отопления. Известно, что в ХV в. такое отопление было устроено в Грановитой палате в Московском Кремле, а затем под названием «русская система» применялось в Германии и Австрии для отопления крупных зданий. После опубликования в России в конце 18 века книг Н. А. Львова («Русская пиростатика», 1795 и 1799 г.) появились системы воздушного топления, совмещенные с вентиляцией. Обобщающий печное отопление труд «Теоретические основания печного дела» был написан И. И. Свиязевым в 1867 г.

В России первая система парового отопления была осуществлена в Петербурге в 1816 г., водяного отопления — в 1834 г. (П. Г. Соболевский). В России паровое отопление высокого давления устраивалось исключительно в производственных зданиях, что свидетельствует о понимании связанных с его применением недостатков. Позднее стали применять системы низкого давления. Водяное же отопление преимущественно распространялось в гражданском строительстве, в первую очередь в больницах.

Остановимся подробнее на истории водяного отопления, широко применяемого в настоящее время. В XIX в. водяное отопление устраивалось с естественной циркуляцией воды. В 50-60-х годах 19 века распространилось более дешевое водяное отопление высокого давления по системе Перкинса (патент 1831 г.). Система составлялась из вертикальных толстостенных трубок (внутренний диаметр 15 мм, наружный 25 мм), со всех сторон замкнутых и заполненных водой. Вода нагревалась в змеевике, помещенном в центральную печь. Такого же рода змеевики («нагревательные спирали»), соединенные одной трубой, размещались в обогреваемых помещениях.

Сейчас подобная связь отопительных приборов именуется однотрубной. В системе циркулировала вода под значительным давлением (до 7 МПа) , нагреваемая до 260-300оС. В системе водяного отопления высокого давления кроме змеевиков в помещениях использовались гладкие трубы большого диаметра, а затем и ребристые трубы — первые специальные отопительные приборы. Применялось также водяное отопление повышенного давления (до 0,8 МПа) с отопительными приборами в виде чугунных цилиндрических печей со сквозным внутренним каналом.

С 70-x годов 19 столетия с водяным отоплением высокого давления стало успешно конкурировать водяное отопление низкого давления, выполняемое заводом Сан-Талли в Петербургe по горизонтальной схеме с отопительными приборами из ребристых труб (фасонные части и арматура ввозились из Германии). В последней трети XIX в. водяное отопление низкого давления осуществлялось в различных городах России в виде вертикальных и горизонтальных однотрубных систем. В 1875 Г. К. Лешевич впервые устроил квартирное водяное отопление низкого давления, действующее самостоятельно или во время топки кухонного очага. В 80-x годах около каждого отопительнoгo прибора стали устанавливать регулирующие краны. В 90-х годах появилось двухтрубное водяное отопление, где по одной из параллельно прокладываемых двух вертикальных труб подавалась в отопительные приборы нагретая вода, по другой отводилась охлажденная. Вертикальные трубы отопления прокладывались скрыто в стенах, ребристые трубы закрывались щитами и декоративными решетками.

Для начала ХХ в. характерно стремление к уменьшению первоначальной стоимости отопительных установок. Водяное отопление устраивается с открытой прокладкой вертикальных труб и открытой установкой отопительных приборов (около 1900 г. появились чугунные радиаторы). Применяются различные решения с целью повышения скорости движения воды для уменьшения диаметра труб. Побуждение циркуляции воды предлагалось осуществлять путем подмешивания к воде в подъемных трубах воздуха, пара, перегретой воды.

В. М. Чаплин разработал и в 1903 г. впервые применил в Москве паро-водо-водяное отопление с побуждением циркуляции воды пароструйным инжектором. Для отопления здания устанавливались два котла: паровой для получения пара под давлением 0,05 — 0,3 МПа (в зависимости от высоты здания) и водогрейный для нагревания воды до температуры от 100 до 150 С, которая, смешиваясь с охлажденной водой, поступала при пониженной температуре (не выше 90 С) для отопления помещений. Предложенное В. М. Чаплиным эжектирование охлажденной воды при подаче снаружи высокотемпературной воды повсеместно используется до настоящего времени для центрального водяного отопления зданий.

В 1905 г. В. А. Яхимович предложил и внедрил «трубчатые приборы с рубашкой из бетона» — паробетонные приборы панельно-лучистого отопления, основанного на заделке нагревательных элементов в толщу ограждающих конструкций помещений. В последующие 10 лет было выполнено свыше 100 таких отопительных установок. В те же годы появилось районное отопление: несколько зданий стали снабжаться тепловой энергией из oднoгo центра. При этом в качестве теплоносителя «дальнего действия» использовался пар, в зданиях устанавливались пароводяные теплообменники (бойлеры) и оборудовалось водяное отопление с естественной циркуляцией. Например, таким пароводяным отоплением в 1903 г. были оборудованы 13 корпусов Петербургской детской больницы (А. К. Павловский).

Начало применения насосов в России для побуждения циркуляции воды с целью не только уменьшения диаметра труб, но и увеличения радиуса действия водяного отопления относится к 1909 г. Осторожное отношение к использованию насосов в водяном отоплении последовало после отрицательного выступления г. Ритшеля на третьем Германском съезде по отоплению и вентиляции в 1901 г. Насосное водяное отопление впервые было осуществлено в Михайловском театре в Петербурге (Н. П. Мельников). В двухтрубной системе отопления каждый радиатор снабжался обходной веткой с переключательным трехходовым краном для возможности использования ее при выключении радиатора. В 1912 г. насосное водяное отопление было запроектировано Н. П. Мельниковым в нескольких крупных зданиях, в том числе в корпусах Института инженеров путей сообщения, где устраивалось впервые районное водо-водяное отопление с радиусом действия около 400 м при давлении, создаваемом насосом, 100 кПа. В здании Эрмитажа пневматическое (воздушное) отопление системы Аммосова было заменено водяным, рассчитанным на поддержание температуры в помещениях с колебанием в пределах 0,5оС.

В общем же в царской России установок центрального водяного отопления было мало и большинство их монтировалось в расчете на гравитационную (естественную) циркуляцию воды. Основная масса зданий, даже в столице, имела печное отопление, что отражалось на структуре и содержании тогдашних учебников по отоплению: они начинались с крупного раздела «Печное отопление».

Развитие систем отопления в СССР

В области водяного отопления период до середины 20 столетия характерен широким применением двухтрубного распределения теплоносителя воды по отопительным приборам здании. Однако с конца 1940-х годов в нашей стране весьма широкое распространение получили однотрубные системы водяного отопления. К настоящему времени этими системами оборудовано большинство зданий и сооружений.

Следует иметь в виду, что однотрубные системы отопления нашли столь широкое распространение не случайно. Во-первых, эти системы были менее металлоемкими по сравнению с двухтрубными. Во-вторых, они оказались гидравлически более устойчивыми (особенно при низких значениях наружной температуры воздуха) по сравнению с двухтрубными. В-третьих, именно эти системы позволили при переменном перепаде температуры воды в стояках максимально индустриализировать их изготовление на заготовительных предприятиях. Их можно было производить (при определенных условиях) еще до возведения обслуживаемого ими здания.

К недостаткам однотрубных систем можно отнести то, что они лишены возможности не только индивидуального регулирования теплоотдачи отопительных приборов, но и индивидуального учета теплоты, расходуемой на отопление того или иного помещения (или комплекса помещений).

Требования к тепловому режиму помещений в СССР постепенно повышались. Были установлены строгие нормативы температуры в помещениях разного назначения. Например, оптимальные температурные условия работы учащихся 22оС и недопустимость заметного отклонения от них (при понижении температуры до 15оС усвоение слушателями излагаемого материала снижается на четверть, а при повышении температуры до 30оС — наполовину).

Современные направления развития систем отопления

Для создания наиболее благоприятных условий труда и быта людей разрабатываются и внедряются технически совершенные, эффективные отопительные установки. Их отдельные элементы (узлы и детали) унифицируются для сокращения затрат труда. Это особенно важно при большом объеме промышленного и гражданского строительства. Эффективность действия отопительных установок обеспечивается путем оптимизации проектных решений с применением ЭВМ, придания установкам надежности в эксплуатации, автоматического поддержания необходимой температуры теплоносителя. Исследуются режимы эксплуатации, ищутся способы управления отопительными установками для экономии тепловой энергии.

Разрабатываются отопительные установки, основанные не на сжигании традиционных видов органического топлива (твердого, жидкого, газообразного), а на использовании сбросной теплоты возобновляемых источников, в том числе низкотемпературных. Одним из возобновляемых теплоисточников для отопления может являться солнечная энергия. Однако малая плотность лучистого потока на поверхности земли в большинстве районов страны ограничивает мощность отопительных гелиоустановок и их распространение.

В отдельных районах для отопления потребляется геотермальная энергия (глубинная теплота Земли) в виде пара и горячей воды, используется теплота грунта. Важным теплоисточником становится атомная энергия из-за известной ограниченности запасов органического топлива. Уже сейчас здания и сооружения, расположенные близ атомных электростанций или специальных атомных станций теплоснабжения, отапливаются водой, нагреваемой при действии атомных реакторов. Для отопления помещений используется также электрическая энергия, в частности в районах расположения гидростанций.

К началу XX века относится создание лучистого и панельного отопления. Но основное направление в развитии отопительных систем было направлено на усовершенствование котлов, печей и радиаторов. Получают свое развитие системы центрального отопления, теплофикации и централизованного теплоснабжения. К концу XX века особую популярность получает новый вид топлива – природный газ.

Современные пути развития отопительных систем направлены на поиск новых источников топлива (например: солнечные коллекторы, тепловые насосы, ветрогенераторы ), использование пеллет и топливных брикетов а так же энергосбережение и учет.