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.

Отопление

Отопле́ние — искусственный обогрев помещений с целью возмещения в них теплопотерь и поддержания на заданном уровне температуры, отвечающей условиям теплового комфорта и/или требованиям технологического процесса [1] . Под отоплением понимают также устройства и системы, выполняющие эту функцию [2] .

Содержание

Характеристики отопления

В зависимости от преобладающего способа теплопередачи отопление помещений может быть конвективным и лучистым.

Конвективное отопление

Вид отопления, при котором тепло передается благодаря перемешиванию объемов горячего и холодного воздуха. К недостаткам конвективного отопления относится большой перепад температур в помещении (высокая температура воздуха наверху и низкая внизу) и невозможность вентиляции помещения без потерь тепловой энергии

Лучистое отопление

Вид отопления, когда тепло передается в основном излучением и в меньшей степени — конвекцией. Приборы для отопления размещаются непосредственно под или над обогреваемой зоной (вмонтированы в пол или потолок, также могут крепиться на стены или под потолком) [3] [4] .

Виды отопления

Системы отопления

Система отопления — это совокупность технических элементов, предназначенных для получения, переноса и передачи во все обогреваемые помещения количества теплоты, необходимого для поддержания температуры на заданном уровне.

Основные конструктивные элементы системы отопления:

• теплоисточник (теплогенератор при местном или теплообменник при централизованном теплоснабжении) — элемент для получения теплоты;
• теплопроводы — элемент для переноса теплоты от теплоисточника к отопительным приборам;
• отопительные приборы — элемент для передачи теплоты в помещение.

Перенос по теплопроводам может осуществляться с помощью жидкой или газообразной рабочей среды. Жидкая (вода или специальная незамерзающая жидкость — антифриз) или газообразная (пар, воздух, продукты сгорания топлива) среда, перемещающаяся в системе отопления, называется теплоносителем.

Современные системы отопления обладают также и функцией поддержания микроклимата, что предусматривает наличие автоматизации и соответствующего усложнения самой системы. При этом гидравлический режим часто меняется в процессе эксплуатации, что отличает такие системы от «классических», которые единожды настраиваются при пуске в работу [5] .

Классификация

Системы отопления можно разделить [5] :

• По типу источника нагрева — газовые, геотермальные, дровяные, пиролизные, мазутные, солнечные, угольные, торфяные, пеллетные, электрические (кабельная), отопление с помощью теплового насоса и пр.
  См. Отопительный котёл
• По типу теплоносителя — водяные (жидкостные), воздушные, паровые, комбинированные;
• По типу применяемых приборов — лучистые, конвективно-лучистые, конвективные;
• По виду циркуляции теплоносителя — с естественной и искусственной (механической, с использованием насосов);

• По радиусу действия — местные и центральные;
• По режиму работы — постоянно работающие на протяжении отопительного периода и периодические (в том числе и аккумуляционные) системы отопления.
• По гидравлическим режимам — с постоянным и изменяемым режимом;
• По ходу движения теплоносителя в магистральных трубопроводах — тупиковые и попутные;

• По способу разводки — с верхней, нижней, комбинированной, горизонтальной, вертикальной;
• По способу присоединения приборов — однотрубные, двухтрубные;

История и эволюция систем отопления

Воздушное отопление

Огневоздушное — означает, что нагрев теплоносителя (воздуха) осуществляется с помощью огня.

Первой огневоздушной, да и вообще первой отопительной установкой считается костёр, разведённый внутри жилища.

В Древнем Риме в I веке до н. э. уже существовало развитое отопительное устройство гипокауст, где воздух в помещении получал теплоту от полов, которые нагревались печными дымовыми газами, проходящими в подпольных полостях. Такая система позволяла получать «чистую» теплоту, без контакта человека с продуктами сгорания. Кроме этого, каменный пол, обладая большой тепловой инерцией, долго ещё после потухания огня отдавал теплоту помещению. Гипокауст описывается Марком Витрувием Поллионом в трактате «Об архитектуре». Схожая система, ондоль, появившаяся предположительно в I в. до н. э. — VII в. н. э., используется до сих пор в Корее. Аналогичная система обогреваемого пола известна и в северных районах Китая, где она известна как «дикан» (буквально пол-кан). Впрочем, более распространённый тип китайского кана обогревал лишь широкую лежанку, где люди спали, сидели, сушили вещи и т. д.

Также ещё в Древнем Риме принял свой современный облик камин. Термин и происходит от латинского caminus — открытый очаг. Он устанавливался в центре помещения и максимально окружался теплоаккумулирующими материалами — каменный портал, каменный дымоход, каменная противоложная стена. Таким образом удавалось избежать перегрева во время топки (камень «впитывал» теплоту) и резкого охлаждения после потухания огня (теперь камень «отдавал» тепло). Камин также осуществлял вентиляцию, создавая тягу в дымоходе.

А в средней Европе, судя по археологическим раскопкам, и в IX веке жилища отапливались печами-каменками и курными печами. Печь-каменка представляла собой очаг, сложенный из булыжников и валунов, курная печь — вырытую в земле яму с глиняным сводом. Это было уже большим шагом после костра — такая печь аккумулировала теплоту и продолжала отдавать её долгое время после прогорания топлива, что позволяло тратить меньше дров и сил. Но всё равно эти печи ещё топились «по чёрному» — продукты сгорания выходили сперва прямо в жилище и уже после в атмосферу через специальное отверстие в потолке, а то и вовсе через дверь. В XV веке существовали печи с дымоходными трубами, тогда деревянными — «дымницами» [6] [7] .

К этому времени в Европе система гипокауста была практически утрачена (за исключением Испании, где изменённая версия, называемая «глорией», существовала до начала XX века), а потому появление огневоздушной системы, называемой «русской системой», произвело небольшую революцию. Устройство отопления было такое: холодный воздух через воздухозаборную шахту подводился к установленной на первом или цокольном этаже печи, где, касаясь её раскалённой поверхности, нагревался, а после по горизонтальным и вертикальным кирпичным воздухораспределяющим каналам подводился в обогреваемые помещения. Оттуда через вытяжные каналы отдавший теплоту воздух выводился обратно в атмосферу. Циркуляция воздуха была естественной, за счёт разности плотностей горячего и холодного.

Такая система не только обеспечивала жильё «чистой» теплотой, но и осуществляла вентиляцию. «Русской системой» была оборудована, к примеру, Грановитая палата в Кремле [8] .

Печи в XV—XVIII веках были глиняные, кирпичные или даже изразцовые, что было большой роскошью — изразцовую печь можно было встретить только в богато украшенных дворцовых помещениях и изредка у зажиточных горожан. Также на Тульском заводе выпускались чугунные и стальные нетеплоёмкие печи. В 1709 году по указу Петра первого были созданы первые десять «шведских» печей с более дешёвыми изразцами (синяя роспись по гладкому белому основанию). «Шведская» печь популярна и до сих пор, бывает различных конструкций — К. Я. Буслаева, Г. Резника, В. А. Потапова, но по сути представляет собой печь с оснащённой вытяжкой варочной камерой в «теле» печи и «кухонной плитой» на ней. В 1736 году в Петербурге были широко распространены «дровосберегающие» печи, оснащённые горизонтальным змеевиком дымохода, в 1742 её уже успешно вытесняла печь с «колодцами» — вертикальным змеевиком.

Российский инженер и архитектор Н. А. Львов в 1795 году издал первую оригинальную русскую работу по отоплению, свою книгу «Русская пиростатика». В издании Львов с резкой критикой отозвался о модном увлечении иностранными фигурными печами, которые были крайне неэффективны, а также представил изобретённые им усовершенствования отопительных установок, а также основы конструирования и расчёты систем огневоздушного отопления.

В это время всё больше распространялись многоэтажные здания, поэтому появляется тенденция к централизованному отоплению. Тут и пригодится «русская система», выполняемая раньше в основном для двухэтажных зданий. Тогда же в 1799 году Николай Львов опубликовал свою вторую книгу «Русская пиростатика, или употребленiе испытанныхъ каминовъ и печей», где есть раздел «О духовыхъ печахъ верхнiя или соседственные комнаты нагревающiхъ». Там он предложил конструкцию наподобие калорифера, но малоэффективную.

В 1821 году в Вене была издана книга немецкого профессора Мейснера «Руководство к отоплению зданий гретым воздухом» — также сделавшая значительный вклад в развитие огневоздушного отопления [9] .

В 1820-х годах быстро приобрели и потеряли популярность т. н. печи Уттермарка. Оригинальная печь Ивана [10] Уттермарка была круглой и выкладывалась очень плотно особым кирпичом, сделанным по лекалам. Также она имела в своей конструкции изогнутые медные трубы с коленами, проходя через которые, нагревался комнатный воздух [11] . То есть набор деталей был не из общедоступных. Поэтому только упрощённый вариант, где печь была из обычного кирпича и снабжалась металлической «рубашкой», и получил популярность, которая быстро схлынула из-за плохих санитарно-гигиенических характеристик (при контакте с раскалённой печью воздушная пыль пригорала, издавая неприятный запах).

В 1835 году Николай Аммосов, обобщив идеи Львова и Мейснера, представил первый в мире эффективный калорифер — свою систему «пневматического» отопления, позже и названную «аммосовской печью». Работала система вполне аналогично «русской» — нагретый печью воздух под действием разности плотностей поднимался по «жаровым» металлическим каналам в парадные залы и жилые комнаты. Представление печи было не простое — её впервые установили в помещениях Императорской Академии художеств, где система хорошо себя показала. В 1838 году, после трёхдневного пожара в Зимнем дворце, печное отопление заменили на аммосовские пневмопечи [12] . К 1841 году «аммосовские печи» были установлены в зданиях Эрмитажа, Придворном Манеже — в общей сложности в 100 крупных зданиях в Санкт-Петербурге и других крупных городах России насчитывалось в общей сложности свыше 420 «больших и малых пневматических печей».

И только теперь стали заметны существенные недостатки. То, что система издавала низкий гул при топке, пересушивала воздух, потрескивала во время грозы, было заметно сразу и терпимо (впрочем, именно поэтому Александр II в 1860-х добавил ей «в помощь» локальные системы водяного отопления [12] , но главный недостаток заключался в раскалённых «жаровых» воздуховодах, которые перегревали оказавшиеся рядом стены, уничтожая драгоценные росписи, а пыль на них пригорала, издавая неприятный запах, или, хуже, взлетала и покрывала понемногу сажей стены, картины — словом, весь интерьер [13] .

Сам Аммосов же ни в коем случае не соглашался с недостатками своего изобретения и приписывал их «лени и неряшеству истопников» [11] .

Водяное отопление

В 1777 году французский инженер М. Боннеман изобрёл и применил для обогрева инкубаторов первую водную систему отопления с естественной циркуляцией, основные принципы и инженерные решения которой нашли применение в отоплении жилищ тогда и применяются до сих пор.

В 1834 первой в России системой водяного отопления с естественной циркуляцией стала система горного инженера, профессора П. Г. Соболевского. В 1875 году появилась первая не только в России, но и в Западной Европе квартира с отдельной системой водяного отопления с использованием плоских отопительных приборов, сделанных в виде пилястр. Подогрев воды происходил в небольшом нагревателе, установленном в кухонном очаге.

Паровое отопление

Грядущий XIX век дал широкое распространение водяным и паровым системам отопления. Собственно, толчок паровым системам отопления дало повсеместные применение паровых машин. Промышленные помещения были велики, и отапливать их было сложно, так что отработанный пар пришёлся кстати.

В 1802 году в Российской империи впервые появились статьи о возможности отопления паром, а в 1816 г. в Петербурге уже существовала теплица, отапливаемая таким способом.

Одна из крупнейших в мире систем центрального парового отопления была создана в Нью-Йорке в 1882 году и функционирует по сей день [14] .

XX век дал начало системам отопления с принудительной циркуляцией, осуществляемой с помощью насосов. Это осуществилось с промышленным выпуском электродвигателей [7] .

Отопление с начала XX века

К 1917 году в России многие доходные дома, в основном элитные, оснащались системами водяного и парового отопления. Подача тепла в дом осуществлялась от котельной, расположенной в подвале или пристройке. Судьба одного из таких домов после революции отражена в рассказе Михаила Булгакова «№ 13. Дом Эльпит-Рабкоммуна». В то же время, значительная часть городских зданий и все индивидуальные дома в городах, селах и деревнях отапливались печами на дровах или иных местных видах топлива.

Широкое внедрение систем центрального отопления началось в эпоху индустриализации СССР и сопутствующей ей урбанизации. В это время формируются основные черты систем центрального отопления, которые действуют в России по настоящее время. При вновь возводимых промышленных предприятиях строятся жилые районы («соцгородки») с многоквартирными домами, оснащенными радиаторами водяного отопления. Наиболее эффективным вариантом было признано центральное отопление от теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), при котором реализуется совместная выработка тепла и электроэнергии (когенерация). Распространенными видами топлива в то время были каменный и бурый уголь, торф, мазут и дрова. Центральное отопление позволяло повысить эффективность использования топлива, улучшить экологическую обстановку в городах и избавить население от заботы об отоплении жилищ.

К началу 1950-х годов большинство сталинских домов были оснащены системами центрального водяного отопления, которые подключались к котельным промышленных предприятий, ТЭЦ или небольшим районным котельным. При невозможности подключения к центральному отоплению отдельные дома имели собственные котельные, а некоторые малоэтажные дома проектировались с вариантом печного отопления.

Окончательное внедрение центрального отопления многоквартирных домов произошло с началом массового жилищного строительства хрущёвок. Наряду с подключением домов к ТЭЦ и котельным предприятий, в новых жилых массивах возводились районные котельные. С середины 1960-х по начало 1990-х развитие систем отопления в СССР шло в направлении дальнейшей централизации. Небольшие котельные закрывались, а дома подключались к крупным котельным и ТЭЦ. Проводились закольцовывание систем отопления и внедрение закрытой системы теплоснабжения с тепловыми пунктами.

С начала 1960-х котельные и ТЭЦ с местных видов топлива массово переходят на более удобное и экологичное — магистральный природный газ. С ходом газификации населенных пунктов индивидуальные жилые дома в городах и сельской местности также начинают переходить на водяное отопление с использованием газовых котлов. Этот процесс продолжается и сегодня.

В 1980-е планировалось внедрение отопления с использованием атомной энергии: атомные теплоснабжающие станции (АСТ) в Воронеже и Горьком, атомные теплоэлектроцентрали (АТЭЦ) в Харькове и Одессе. Однако после Чернобыльской аварии все проекты были остановлены.

После распада СССР, наряду с развитием центрального отопления, происходит и иной процесс — распространение местного отопления. Этому способствуют дешевизна и распространенность магистрального природного газа, появление недорогих автоматических газовых котлов и нестабильное функционирование систем центрального отопления. Во вновь возводимых многоквартирных жилых домах применяются домовые котельные, устанавливаемые на крыше или в пристройке. В домах малой и средней этажности также применяются поквартирные системы водяного отопления с помощью настенных газовых котлов.