Первые системы центрального отопления

100 лет теплофикации и централизованному
теплоснабжению в России
Сборник статей под редакцией В.Г.Семенова
Издательство «Новости теплоснабжения» Москва 2 003

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ.
Мировая история развития теплоснабжения и теплофикации.
Глава « История централизованного теплоснабжения
и комбинированного производства теплоты
и энергии*»

*По материалам Международной Ассоциации Euroheat & Power : «Начиная с Древнего Рима до наших дней — история и будущее теплофикации и централизованного теплоснабжения». Март 2002 г (From the Roman Empire to today — the history and future of CHP/DHC, March 2002).

Для того чтобы человек существовал, ему необходимо не толь ко есть, пить и спать, но также нужны нормальные внешние усло вия, т.е. надо обеспечить человека теплом. Тепло всегда было и ос тается одним из основных потребностей человека. Хотя, казалось бы, люди, живущие на территориях с низкотемпературным клима том, должны были быть разработчиками систем отопления и эф фективных систем теплоснабжения, но на самом деле разработчи ками этих систем были греки и римляне. Они всегда уделяли боль шое внимание своему здоровью и красоте, именно это и послужи ло толчком для создания систем центрального теплоснабжения.

Первая, так называемая, система централизованного отопления (ЦО) «хюпокаустум», появилась в Ш- IV вв. до н.э. Эта система была впервые применена в общественных банях, которые были широко распространены в римской и греческой империях. Только в одном Риме, в IV в. н.э. было более 850 общественных бань и 11 больших учреждений. Однако, многие гимназии, отели, малые дворцы и виллы также имели центральное отопление. Китайцы также, почти одновременно с римлянами, разрабатывали свою систему ЦО « Kang », которая была аналогична римской. В то время китайцы и римляне регулярно торговали (первый Шелковый путь), это является доказательством того, что между этими великими империями был обмен различными техническими разработками. Эти достижения в области теплоснабжения в боль шинстве своем были забыты из-за падения Римской Империи в Ш- IV вв. н.э.

Принятие ванны для римлян было частью их ежедневной и социальной жизни. Бани были везде, где селились римляне. Они были быстро приняты местным населением. Любое большое поселе ние или город имел, по крайней мере, одну общественную баню. Большие городские дома часто имели частные бани, и почти каждое поместье имело свою собственную.

Считалось, что римляне изобрели общественные бани, однако, их изобретателями были греки, и раскопки в Олимпии и Аркадии, (Греция), показали, что греки были разработчиками большей час ти системы ЦО. Система отопления в банях в Гортисе ( Gortys ) имела воздушные подземные трубопроводы в П-Ш вв. до н.э.

Термы (бани) имели в своей структуре несколько отделений и нагревались из задней (самой горячей) части — камеры купания или кальдарий ( caldarium ) от печи ( praefurnium ). Дополнительная печь часто размещалась рядом с теплым помещением — тепидари ем ( tepidarium ) и парной.

Над печью, за кальдарием бани, обычно устанавливали водяной котел, сделанный из бронзовых склепанных пластин. Нижняя часть котла была замурована в стенку, для обеспечения лучшей изоляции. Этот котел снабжал горячей водой кальдарий. Холодная вода подавалась в нижнюю часть котла из напорной цистерны, в которую вода поступала из скважины. Она нагревалась и направ лялась в баню. В случае необходимости, горячая вода из котла могла быть смешана с холодной водой из другого канала перед подачей в баню.

Котел представлял из себя бронзовую полукруглую шахту, из вестную как «черепашья» ( testudo ) из-за своей формы, он нахо дился над печью, за счет чего вода в «панцире» нагревалась.

Необходимо было обеспечивать адекватную подачу горячей и холодной воды, также нужно было обеспечивать дренаж. Водо проводные трубы были сделаны из свинца. Краны, управляющие притоком воды через них, и ответвления были сделаны из бронзы. В больших банях свежая вода подавалась через длинную сеть тру бопроводов, которая позволяла транспортировать воду на доста точно большие расстояния. Использованная вода из городских бань сливалась в общественные сточные трубы.

Воздух нагревался горящим углем или древесным углем во внеш не обслуживаемой подогревательной камере ( praefurnium ) и перека чивался через пустоты между малыми опорами (столбов), сделанными из черепицы. Высота этих столбов «хюпокаустум» изменялась от 0,4 м до 1,2 м. Горячий воздух нагревал пол, и затем поднимался вверх через столбцы, которые обычно располагались в углах камер.

Конструкции терм (бань) посвящена 10 глава V книги труда Витрувия Об архитектуре ( I в. до н.э.). Витрувий, архитектор и инженер, посвятивший свой трактат Августу, дает здесь практические рекомендации относительно последовательности банных помещений, а также нагревательной системы терм с ее весьма примечательной особенностью — «подвесными полами». Вся по следующая литература по архитектуре неизменно пользуется терминологией Витрувия (аподитерий — помещение для раздевания, кальдарий — горячее помещение в термах, тепидарий — теплое, фригидарий — холодное и т.д.).

Так как настил держался только на столбах и не соединялся со стенкой, это позволяло легко компенсировать тепловые напряжения, возникающие в результате нагрева от их сторон, таким обра зом, избегая разрушения под напряжением.

Позднее, в I в. н.э., эта система отопления была усовершенство вана дополнительным использованием полости стеновых плиток, колонны устанавливались вертикально в стенку, обеспечивая зна чительно лучший нагрев. Горячий воздух мог нагревать не только настил, но также и стенки, и после этого выходил наружу через верхний отопительный канал.

Окна остеклялись так, чтобы предотвратить высокие тепловые потери в индивидуальных комнатах-отделениях. Если стекло было известно уже в середине П в. до н.э., то оконное стекло было изо бретено намного позже, к концу I в. н.э., возможно, причиной это го было многочисленное строительство бань в Римской империи. Окна с двойным остеклением часто использовались, чтобы улучшить изоляцию, особенно в банях.

Отопительные эксперименты проводились в восстановлен ных римских банях в Салбурге ( Saalburg ), в римском лагере не далеко от Бэд Хомбурга ( Bad Homburg ) (к северу от Франкфурта), чтобы воспроизвести детали практической работы и проил люстрировать эффективность римских систем отопления «хю покаустум». Температура внутреннего воздуха в помещении достигала приблизительно 18-30 °С, в зависимости от типа отопле ния и интенсивности горения.

В холодных северных провинциях Римской Империи люди пред почитали использовать упрощенную форму системы «хюпокаус тум» — канальное отопление, особенно со П в. н.э. Канальная сис тема отопления была более рентабельной, имела низкую себестоимость, могла широко использоваться в жилищной конструкции, но тепловой эффект был ниже, чем у системы «хюпокаустум», и это делало канальную систему неподходящей для нагрева бань.

Система ЦО, с точки зрения римской исторической разработки, была в значительной степени забыта в Центральной Европе в те чение средневековья ( VI — XV вв. н.э.). Появляются новые исследо вания, но в средневековье уделяется малое значение разработкам систем ЦО. Системы ЦО в основном использовались в крепостях, замках, монастырях и официальных зданиях, таких как ратуши и церкви по всей Европе. Наиболее широко была распространена си стема воздуховодов. Самая большая система была построена в Х||| в. н.э. немецкими рыцарями в замке Мальборк ( Malbork ), не далеко от Балтийского побережья Польши.

В 1480 г. Леонардо Да Винчи нарисовал первые эскизы, кото рые он назвал «вытяжной дымоход» (или «гнездо дыма»), устрой ство служило для удаления горячих газов из каминов, механичес ки с помощью вентилятора. Так появилось первое устройство комбинированной выработки тепла и энергии (последняя как ме ханическая энергия).

В XV ||| и XIX вв. технология ЦО сделала следующий шаг, был разработан первый паровой подогреватель (1745 г.), система теп лоснабжения (1777 г.) и система горячего водоснабжения (1831 г.) для домов в Европе. Разработка применялась преимущественно во Франции, Великобритании и Германии.

Все началось в Локпорте ( Lockport )

Однако самый большой прогресс был сделан в 1876 г., в Лок порте ( Lockport ), Нью-Йорк, США, с разработки первой систе мы централизованного теплоснабжения в мире. Бертсилл Холли ( Birdsill Holly ) получил патент и снабдил жилые местные пост ройки и производственные помещения паровым отоплением. В течение года все больше и больше домов присоединяются к отопительной установке. Первыми вложениями в централизо ванное теплоснабжение были инвестиции в размере 25 тыс. долл. США в компанию Холли Стим Комбинэйшен ( Holly Steam Combination ). В 1880 г. Холли дали патент на систему комбини рованной выработки тепла и энергии, в то время использовался острый пар.

В 1878 г. были созданы первые системы централизованного теплоснабжения в Европе, они снабжали больницы в Германии (госпиталь недалеко от г. Бонн ( Bonn )) и в Швеции (больница в Стокгольме). Новая система позволила избавиться от индивидуальных каминов.

Первые шаги в Европе

Первый шаг в развитии систем теплоснабжения в Европе был сделан в Германии, вследствие интенсивного развития электропро мышленности. Выработка электричества (блочные электростан ции и электростанции общего пользования) была основой для снабжения потребителя от централизованного теплоснабжения.

Одна из первых электростанций была построена в Европе, По- страссе ( Postrasse ), Гамбург в 1888 г. В 1893 г. новая ратуша также снабжалась теплом от этого завода в целях безопасности. Таким образом, была создана первая ТЭЦ в Европе. В 1898 г. были от крыты новые ТЭЦ. Первая Саксонская ТЭЦ была построена в Бэд Элстер ( Bad Elster ), чтобы снабжать Албербад ( Alberbad ) и вто рая в Берлине, для обеспечения теплом технического университета, однако каждая из этих ТЭЦ обеспечивала теплом только одно здание.

Европейские системы централизованного теплоснабжения появились в Германии в 1900 г. 5-го декабря первая система центра лизованного теплоснабжения для муниципального использования была запущена в работу в Дрездене. 12 зданий снабжались теплом от ТЭЦ в Пакхофстрассе ( Packhofstrasse ) и еще 15 зданий снабжа лись только электричеством. Причинами для конструкции этого завода были, во-первых, общественная безопасность, лучшая защита окружающей среды и, во-вторых, то, что критерий «цена — эффективность» данной системы оказался в два раза ниже. До начала Первой Мировой Войны пять немецких городов последуют этому примеру.

Также в начале XX века в Дании в городе Фредериксберг ( Frederiksberg ) начинает развиваться система централизованного теплоснабжения. Установка для полного сжигания мусора (отходов) снабжала новый госпиталь теплом. В 1904 г. была введена в работу первая система централизованного теплоснабжения в Вен грии, она обеспечивала теплом парламент Будапешта.

В течение Первой Мировой Войны значительных разработок в области централизованного теплоснабжения не велось.

11 ноября 1918 г. закончилась Первая Мировая Война, в резуль тате большие ограничения были наложены на Германию. Трагедия Первой Мировой Войны также повлияла и на поставщиков тепла и электроэнергии в Германии. В 1921 г. экономическая база ТЭЦ и ЦТ была улучшена благодаря быстрому увеличению цен в резуль тате инфляции, вызванной компенсациями союзникам и нехваткой топлива в Германии из-за забастовки, которая была проведена не мецкими шахтерами против французских и бельгийских временных владельцев шахт. Последовало быстрое развитие этих систем ТЭЦ и ЦТ для более эффективного использования топлива.

К 1930 г. более 25 немецких городов последовали этому приме ру, а также города: в 1923 г. Утрехт ( Utrecht ) в Нидерландах, в 1925 г . Копенгаген, Дания и Рейкьявик, Исландия и в 1930 г. Париж, Франция — все они последовали этому примеру.

В 1930 г. более 200 систем ЦТ работали в Европе, включая Ва тикан.

Реконструкция разрушенных городов после Второй Мировой Войны дала возможность расширить системы ЦТ в Европе.

Разработки отличались друг от друга, в зависимости от части Европы. Экономическое чудо на западе и реконструкция энергети ческого сектора на востоке обеспечили огромный бум в области ЦТ и промышленности. Много городов в таких странах как Авст рия, Дания, Финляндия, Германия, Венгрия, Нидерланды, Польша, Советский Союз и Швеция решили строить свои собственные ТЭЦ и муниципальные системы отопления, главным образом в 1950-х и 1960-х гг.

Ежегодная скорость роста присоединенной нагрузки с двузначным числом стала нормой. Например, более чем 200 независимых централизованных систем теплоснабжения были разработаны в Дании в период с 1955 до 1973 гг.

Один из самых плохих дней для энергетики Европы и всего Ми ра был 6 октября 1973 г., когда Египет и Сирия атаковали Израиль. С 17 октября и в течение войны арабские страны сократили производство сырой нефти. Нефть, как сырой материал, таким обра зом, стал глобальным политическим оружием. Вскоре цена на нефть увеличилась более чем на 200%.

Ограничения на подачу энергии и повышение цен привели к тя желому шоку в индустриальных странах и показали зависимость «большой» экономики от энергетики. В итоге, были найдены аль тернативные варианты. В частности, общественные электростан ции (общего пользования) смогли принять новую стратегию, чтобы уменьшить зависимость от импортируемого топлива. Внимание было сфокусировано на ядерной энергии и национальных источниках энергии для комбинированного производства электроэнергии и теплоты и централизованном теплоснабжении, с его возможностью быстро варьировать цены за счет рынка тепла. Ситуация была уси лена вторым нефтяным кризисом в 1978 г.

43 новых ТЭЦ были запущены в Западной Европе между 1975 и 1980 гг. с суммарной установленной электрической мощностью 5210 МВт и с теплопроизводительностью в 5013 МВт.

В конце 80-х и 90-х гг. XX в. происходят следующие события: па дение Советского Союза, объединение Европы, новая либерализа ция, согласование рынка и новые всемирные стратегии по защите окружающей среды, созданы для уменьшения выбросов ТЭЦ и цен трализованное теплоснабжение с новыми возможностями и развива ющим потенциалом.

Объединение Германии иллюстрировало большие возможности возникших в результате реконструкции ТЭЦ и систем централизован ного теплоснабжения в Центральной и Восточной Европе. Реконст рукция ТЭЦ в Восточной Германии потребовала немалых затрат (ка питаловложений), превышающих 3,4 млрд евро (с правительственной поддержкой в 600 млн евро). Самым значительным эффектом этой инвестиции было то, что резко был снижен выброс парниковых газов, влияющих на разрушение озонового слоя, благодаря реконструкции районных отопительных котельных. В общей сложности выброс СО₂ был снижен на 33%, SO ₂ на 83%, СО на 49%, NO_X на 41% и пыли на 95%. Сбережения энергии составили 11180 ГВт-ч/год, которые были достигнуты благодаря обширной реконструкции систем централизо ванного производства тепла. Также было предоставлено значительное число рабочих мест, и цена на централизованное тепло была снижена в среднем на 25%.

1876 г. — первая система централизованного теплоснабжения в ми ре в Локпорте ( Lockport ), Нью-Йорк, США.

1893 г. — первая общественная ТЭЦ в Европе построена в Пост страссе ( Poststrasse ), Гамбург, Германия.

1900 г. — первая немецкая муниципальная система отопления пус кается в работу 5 декабря 1900 г. в Дрездене.

1904 г. — первая система централизованного теплоснабжения Венгрии начинает свою работу, обеспечивая теплом парламент в Будапеште.

1923 г. — первая общая система централизованного теплоснабже ния Нидерландов запущена в работу в Утрехте ( Utrecht ).

1924 г. — в Советском Союзе первая система централизованного теплоснабжения заработала в Ленинграде (ныне С.-Петербург).

1925 г. — Дания запускает муниципальную систему отопления в Копенгагене. Столица Исландии, Рейкьявик, также запускает свою систему централизованного теплоснабжения.

1930 г. — первая система централизованного теплоснабжения в Па риже, Франция, начинает свою работу. Более 200 районных ТЭЦ уже работают в Европе.

1932 г. — в Швейцарии строится первая большая районная котель ная в г. Цюрихе.

1937 г. — начинает работу система централизованного теплоснаб жения в Вервье ( Venders ), Бельгия.

1948 г. — первое централизованное теплоснабжение в Швеции в Карлстад ( Karlstad ). Первая ТЭЦ Австрии входит в работу в Клагенфурт (Klagenfurt).

1951 г. — первая главная система централизованного теплоснабже ния в Великобритании заработала в Лондонском районе Пимли ко ( Pimlico ).

1952 г. — запущена первая система централизованного теплоснабжения в столице Финляндии — Хельсинки.

1954 г. — первая ТЭС в Варшаве, Польша, пускается в работу.

1957 г. — первая ТЭЦ входит в работу в Lahti , Финляндия.

1964 г. — первая ядерная (АЭС), реактор тяжелой воды, мощнос тью 65 МВт тепловой и 10 МВт электрической начинает рабо тать в Агеста ( Agesta ), Швеция. 1975 г. — 800 городов в Советском Союзе обеспечиваются центра лизованным теплоснабжением. ЦТ составляет более чем 50% отопления строений в этих городах.

1978 г. — 157 городов в прежней Чехословакии снабжаются ЦТ. Суммарная установленная мощность составляет 46750 МВт.

1980 г. — 94 венгерских города имеют системы централизованного теплоснабжения, обеспечивающие более чем 400 тыс. квартир теплом. Установленная нагрузка — 14500 МВт.

1981 г. — в Москве, в Советском Союзе, более чем 99% всех квартир обеспечиваются ЦТ. Это — мировой рекорд.

1992 г. -100 ТЭС, использующих топливо возобновляемых источ ников энергии, находились в работе в Дании (60 — на соломе, 40 — на древесном топливе (древесные брикеты)).

1999 г. — более чем 450 немецких городов снабжаются ЦТ. Установленная нагрузка — 57000 МВт.