Описание первой в мире системы централизованного теплоснабжения Бердсилла Холли в городе Локпорт
Бёрдсилл Холли, 1878

Вниманию читателей предлагается перевод книги, изданной в 1878 г. в США и описывающей события, происходящие в отопительном сезоне 1877–1878 г. в г. Локпорте, шт. Нью-Йорк. Среди авторов книги Бёрдсилл Холли – изобретатель первой в мире паровой централизованной системы теплоснабжения. Ее созданию, описанию всех звеньев системы и их работе посвящена настоящая книга. Особенностью этой системы теплоснабжения является тот факт, что при ее реализации были разработаны почти все виды систем, потребляющие тепло в настоящее время. Б. Холли удалось достаточно удачно решить все инженерные проблемы, сопровождающие такой сложный проект: создать тепловой источник с возможностью регулирования тепловой нагрузки в течение отопительного периода; обеспечить с резервированием распределение пара потребителям при малой его конденсации в процессе транспортировки с помощью подземных городских магистралей; согласовать высокое давление пара в магистралях и низкое давление в теплопотребляющих системах зданий; изобрести надежно и безопасно работающие атмосферные приборы отопления, а также паровые калориферы систем вентиляции; применить аккумуляторы горячей воды для системы горячего водоснабжения бытовых нужд; создать безнасосный способ перемещения горячей воды с низких вертикальных отметок на высокие; обеспечить измерение расхода потребляемой тепловой энергии; предложить систему таяния снега и льда; радикально упростить мобильные противопожарные установки, отказавшись от применения в их составе паровых котлов с топками за счет подключения паровых машин насосных агрегатов к паровым магистралям города. В патенте 1882 г. Б. Холли первым предложил создание централизованной выработки механической и тепловой энергии. Впервые такая система была создана в г. Оттумва, шт. Айова, в 1889 г.

Оглавление

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Описание первой в мире системы централизованного теплоснабжения Бердсилла Холли в городе Локпорт предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

Паровое отопление, несомненно, является наивысшим достижением среди известных систем, обеспечивающих искусственное отопление. Этот теплоноситель, являющийся могущественной рабочей силой, которая тянет тяжелые составы вагонов через континенты и приводит в движение торговые суда, плывущие через океан, может также решать более скромную, но не менее полезную и эффективную задачу — обеспечивать отопление в домах миллионов людей, живущих в городах и селах.

Пар уже довольно широко используется в системах отопления зданий. Но котел и сантехника для одного жилого дома очень дороги, а также требуют технического обслуживания. Несколько лет назад мистер Бёрдсилл Холли, знаменитый инженер и изобретатель Системы водоснабжения Холли и многого другого, предположил, что пар может подаваться от центрального источника не только для работы паровых машин, но и для обогрева больших районов жилых домов, магазинов и других зданий в городах и селах, аналогично тому, как газ и вода уже много лет по сетям доставляются потребителям. Впоследствии он в экспериментальном порядке воплотил свои идеи в металле, что и подтвердило, что его план целиком и полностью осуществим, если все сделать правильно.

В январе 1877 года была образована «Объединенная Паровая компания Холли», расположенная в Локпорте, штат Нью-Йорк, с необходимым капиталом для осуществления плана в большем масштабе. Было проложено три мили подземных труб (около 5 км), но лишь на небольшом участке вблизи источника тепла трубы имели диаметр 4 дюйма (около 100 мм). После серии организованных должным образом детальных экспериментальных испытаний, а также после работы в условиях изменчивой погоды и особенно тяжелой зимы, паровая система отопления была всеми признана успешной и пригодной к эксплуатации.

На рис. 1 представлен план отапливаемого района с положением системы трубопроводов, зданий и т. д. Компания в течение зимы производила обогрев около 40 больших домов, разбросанных относительно теплопроводов тепловой сети, большое здание школы объемом 105000 кубических футов (около 3000 м 3 ), а также самое большое административное здание в городе (здание компании N. Y. С. Elevator), кроме того, пар подавался на две паровые машины, одна из которых мощностью 10 л.с. была расположена на расстоянии приблизительно полмили от котельной, вторая — мощностью 8 л.с. находилась вблизи котельной, а также производилось снабжение потребителей паром для других целей.

Дома, расположенные на расстоянии в 1 милю, обогревались так же легко, как и те, что были рядом с источником. Три котла были установлены в группе: два из них горизонтально, с размерами в плане 5 (1,5 м) на 16 футов (4,9 м), и один вертикально. Большую часть времени в отопительный сезон пар вырабатывался одним котлом, в холодную погоду два котла работали на частичной нагрузке. Горение, конечно, поддерживалось постоянно. Два кочегара делали всю работу: один днем и один ночью. Они могли бы выполнять ту же работу для 300–400 жилых зданий, находящихся вдоль паропроводов сети. Тщательные эксперименты продемонстрировали тот факт, что при достаточной мощности котла и труб соответствующих размеров площадь более 4 квадратных миль (10 км 2 ) в любом городе или населенном пункте может отапливаться от одной системы, состоящей из группы котлов. Обсуждение размещения котлов для такой системы заслуживает особого внимания. Наше здание предназначено для размещения 6 котлов (см. рис. 2). Уличные паровые магистрали присоединены к котельной группе с двух противоположных сторон на каждом углу здания со стороны северного фасада. Большему количеству отапливаемых зданий соответствует большая группа котлов. Если один котел по какой-либо причине будет отключен, это не будет мешать работе остальных. В самую холодную погоду при необходимости все котлы могут быть растоплены. Когда погода улучшится, часть котлов может быть выведена из эксплуатации или они могут быть использованы попеременно, чтобы облегчить их периодическую чистку.

Мы приводим также чертеж (см. рис. 3), показывающий часть района, который будет централизованно отапливаться, в абстрактном городе с улицами, жилыми зданиями, магазинами, фабриками и т. д. На этом плане к тепловой сети присоединены 200 магазинов с офисами, 200 жилых зданий, 9 церквей и около 20 фабрик. В среднем магазин имеет отапливаемый объем около 50000 кубических футов (1412 м 3 ), жилое здание — 10000 фут 3 (282 м 3 ), церковь — 200000 фут 3 (5647 м 3 ), фабрика — 100000 фут 3 (2823 м 3 ), тогда мы имеем:

Такая площадь будет отапливаться одной системой из 10 котлов, каждый 5 футов в диаметре и 16 футов длиной. Котельная находится в точке А на пересечении улиц Ниагара и Буффало. Два восьмидюймовых главных трубопровода выходят из здания, один на улицу Ниагара, соединяясь с восьмидюймовым трубопроводом, проложенным на этой улице. Второй трубопровод соединяет котельную с магистральным участком по ул. Буффало. В результате обеспечиваются две врезки в магистральный участок по ул. Пайн, имеющий также диаметр 8 дюймов. Такая топология формирует кольцевой контур из восьмидюймовой трубы вокруг квартала, в котором расположено здание котельной.

Рис. 2. План паровой котельной

Рис. 3. Схема тепловой сети абстрактного города

Схема соединения трубопроводов такова, что невозможна ситуация, когда отапливаемый район будет лишен пара при возникновении аварии, так как любой из аварийных участков может быть отключен без ущерба для работы основной сети. Предположим, что необходимо перекрыть трубопровод на улице Баффало между улицами Пайн и Ниагара, тогда пар будет поступать через противоположный паропровод котельной по улице Маркет на улицу Пайн, а также с улицы Баффало на улицу Делавар, то есть, подача пара по-прежнему будет производиться во все части отапливаемого района. Трубопроводы сети в этом районе разделены на секции, каждая из которых может быть отключена с помощью клапанов при необходимости без неудобств для других секций; но так как необходимость отключения участков является довольно редким явлением, то секционирование является простой предосторожностью.

История и эволюция систем отопления

На протяжении многих лет 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» где обогревалась лишь широкая лежанка, где люди спали, сидели и сушили вещи.

Также ещё в Древнем Риме принял свой современный облик камин. Термин и происходит от латинского «caminus» — открытый очаг. Он устанавливался в центре помещения и максимального 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), а благодаря тяге в дымоходе, камин также осуществлял и вентиляцию.

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».

XV веку система «гипокауста» в Европе 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. За счёт разности плотностей горячего и холодного воздуха циркуляция была естественной. Такая система не только обеспечивала жильё «чистой» теплотой, но и осуществляла вентиляцию. «Русской системой» была оборудована, к примеру, Грановитая палата в Кремле.

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 I 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, 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 представил изобретённые им усовершенствования отопительных установок, а также основы конструирования и расчёты систем огневоздушного отопления.

В это время всё больше и 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.

Николай Аммосов, обобщив идеи Львова и Мейснера, представил в 1835 году 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. К 1841 году «аммосовские печи» были установлены в зданиях Эрмитажа, Придворном Манеже — в общей сложности в 100 крупных зданий в 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, 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, что еще хуже, взлетала и покрывала понемногу сажей стены, картины — словом, весь интерьер.

Паровая система отопления

Грядущий XIX век дал широкое распространение водяным и паровым системам отопления. Собственно, толчок паровым системам отопления дало повсеместное 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.

В отличие от водяной или огневоздушной систем отопления, теплоносителем является водяной пар. Иногда в быту водяное отопление зданий неправильно называют «паровым», хотя в жилых и общественных зданиях применение парового отопления сейчас запрещено строительными нормами и правилами.

Водяная система отопления

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.

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

В отличие от паровой системы отопления, вода находится в жидком состоянии, а значит, имеет более низкую температуру. Благодаря этому, водяное отопление более безопасно. Однако радиаторы для водяного отопления имеют большие габариты, чем для парового.

В системах водяного отопления циркуляция воды может быть как естественной, так и искусственной (с использованием водяного насоса, который гонит теплоноситель от котла к радиаторам и обратно от радиаторов к котлу). Системы с естественной циркуляцией воды просты и относительно надёжны, но имеют невысокую эффективность, которая зависит от правильного проектирования системы. Системы же с принудительной циркуляцией теплоносителя более современны, эффективны и к настоящему времени более популярны.

Водяная система отопления является самой распространенной на сегодняшний день в мире. Как и раньше вода (теплоноситель) подогревается в нагревателе (котле) и посредством циркуляционного насоса гонится по всей системе, доходя до отопительных приборов (радиаторов), происходит теплоотдача, и уже остывший теплоноситель (вода или антифриз на водяной основе) возвращается обратно в нагреватель (котел) и процесс повторяется снова и снова.

Узнать более подробно о видах и типах водяных систем отопления можно обратившись к другому разделу нашего сайта «Система отопления»

Большой энциклопедический словарь

Большая Советская энциклопедия

Белоусов В. В. Отопление и вентиляция, ч. 1 Отопление. — Москва, 1967.

Андреевский А. К. Отопление. — Минск, 1982

Леонид Большаков Комментарий к дневнику Т. Шевченко. — Оренбург, 1993.