История развития систем отопления

Этими доказательствами являются найденные в довольно значительном числе и в самых разнообразных  странах древесно-угольные жаровни. Не имея, конечно, никакого представления  о химических реакциях горения и  о химическом составе продуктов  сгорания, древний человек чисто  опытным путем убедился в безвредности сжигания древесного угля непосредственно  в отапливаемом помещении с выпуском продуктов сгорания прямо в это  последнее.

И действительно, как  мы это знаем теперь достоверно, при равномерном притоке воздуха  к тонкому слою тлеющих, хорошо предварительно выжженных, древесных углей продуктом  сгорания является только относительно безвредный и не обладающий запахом  угольный ангидрид (углекислота, СО2). Крайне любопытно то, что этот, с нашей  точки зрения, первобытный способ отопления имел такой коэффициент  полезного действия, о котором  мы в наших современных системах отопления можем только мечтать, ибо у древесно-угольной жаровни, в которой полностью использовалась вся теплотворная способность угля, КПД был равен 1, - в отношении, конечно, древесного угля, а не того дерева, из которого этот уголь был  получен.

Этот метод отопления  помещений получил весьма широкое  и крайне длительно удержавшееся распространение, охватив, видимо, весь европейский материк и далекую  Азию с Китаем и Японией. По крайней  мере, найденные в этих странах  угольные жаровни свидетельствуют  об этом.

Являясь внутрикомнатным  прибором отопления, отапливая, конечно, и помещения богатых сановников и вельмож, эти жаровни достигли высокой степени художественного  совершенства: изготовлялись они  из лучшей бронзы. Об этом свидетельствуют  бронзовые жаровни, найденные в Помпее. Так, римской бронзовой треножной жаровней, имеющей диаметр 500 мм, глубину 120 мм и высоту 1000 мм можно было отапливать помещение с теплопотерями около 10 ккал/ч, т.е. кубатурой примерно в 1000 м3.

Насколько прочно удерживался  этот способ отопления, свидетельствует  тот факт, что, зародившись, видимо, задолго до нашей эры, - он встречался в Англии еще в ХУШ в. Где  в 1790 г. парламентские залы в Лондоне  отапливались угольными жаровнями, т.е. тогда, когда уже существовали довольно совершенные воздушные  и паровые централизованные системы  отопления, колыбелью последней  из которых была та же самая Англия.

Хюпокаусты

Первые признаки более организованного отопления  зданий мы встречаем примерно за 2200 лет назад, т.е. в последних столетиях  до нашей эры.

Археологические раскопки на территориях современных Италии, Франции, Швейцарии, Германии и Англии открывают перед нами картину  довольно значительных в те времена  достижений в области отопления, и даже вентилирования зданий. Это - огневые системы отопления подпольными  камерами, изобретенные, несомненно, римлянами  за несколько столетий до нашей эры. Несмотря на римское изобретение, эти  системы отопления носят греческое  название «хюпокаустум», обозначающее «снизу согретый».

Об этой системе  отопления очень подробно пишет  в своем сочинении «Об архитектуре» (de Archictura) военный инженер времен римских императоров Цезаря и Августа знаменитый Марк Витрувий Поллио (конец 1 века до н.э.).

Остатки такой системы  отопления найдены в бывшей римской  колонии, в нынешней Германии (Тюрингии), в городе Заальбурге. Как по описаниям  Витрувия, так и при раскопках  было видно, что отапливаемое «хюпокаустами» помещение имело подполье, перекрытое по столбикам из камня или гончарных труб гончарными же плитами толщиной 50 мм, поверх которых сделана сплошная смазка толщиной 150 мм. В этой конструкции был лаз, очевидно для прочистки и ремонта, закрывавшийся песчаниковой плитой. Подполье это служило сплошным дымоходом для очага, находившегося вне здания в углублении в грунте. В стенке этого углубления помещалась топка для сжигания древесного угля. Подземный канал, подводивший горячие продукты сгорания угля в подполье, выходил в последнее до первого ряда кирпичных столбиков. Форма этого канала в плане своеобразна, так как она имеет последовательно расположенные два расширения и сужения. В первом из них, ближайшем к топочному углублению, очевидно, сжигался уголь. Есть основания полагать, что такой формой канала римляне стремились оградить от лучистой теплоты подпольную конструкцию, оберегая ее этим от разрушения. Продукты сгорания угля, омыв и обогрев перекрытие, столбики и стенки подполья, выходили наружу по гончарным вертикальным дымоходам. По прекращении горения угля, эти дымоходы перекрывались, видимо, глиняными плитками, а отверстия открывались снятием с них таких же плиток. Наружный воздух проходил по тому же пути, по которому раньше шли продукты горения, но выходил, согревшись в подполье, в отапливаемое помещение. Последнее и объясняет необходимость пользования древесным углем как топливом, в целях сохранения в возможной чистоте поверхностей конструкции подполья. При сжигании в топке дров они покрывались бы налетом сажи и смол, что портило бы качество выпускаемого в помещение воздуха.

Для регулировки  интенсивности прогрева подполья и  обогрева самого отапливаемого помещения  служило наружное воздухозаборное  отверстие. Наружный воздух проходил через  него в подпольное помещение и  отсюда через отверстие в самый  хюпокаустум. Здесь он отклонялся отбоем в целях, очевидно, лучшего смешения с горячими газами, приходящими из угольной топки. Отверстие заслонялось  глиняной плитой в целях регулировки  притока наружного воздуха. Это  же устройство совместно с каминообразным хайлом и идущими от него керамическими  каналами, выходившими, видимо (стена  сохранилась лишь на высоту 1 м), сверх  кровли, служило приточно-вытяжной системой вентиляции после того, как  прекращалось горение угля в топке. Подобными системами римляне  отапливали как на своей родине, так и в более северных странах, своих колониях, как то: в теперешних Франции, Швейцарии, Германии, Англии, как жилые, гражданские, так и  разного рода военные постройки  своих военных поселений и  крепостей («кастеллум»).

Археологические раскопки древнего города Геркуланеум (у подножия горы Везувия, в 7,5 км от современного Неаполя) показали, что хюпокаусты применялись  даже для отопления двухэтажных  зданий. Так, в одной вилле, открытой в Геркуланеум, найдена такая  установка, подводившая согретый воздух из подполья по гончарным трубам в  кладке стен в комнату второго  этажа. Выходные душниковые отверстия  в этой комнате обработаны львиными головами, в пастях которых были затворы.

Подпольно-канальное  отопление

В дальнейшем, и видимо параллельно с продолжением существования  системы отопления хюпокаустами, эта система развилась в систему  отопления подпольными, уложенными в грунте каналами, обогревавшимися  также продуктами сгорания древесного угля, сжигавшегося аналогично с хюпокаустами во вне домовых заглубленных в  землю топках.

От этой топки  подземный канал подводил горячие  продукты горения угля к центру отапливаемого  помещения. Здесь канал заканчивался небольшим расширением, от которого шли также подпольно два канала к двум удаленным углам помещения, где продукты сгорания переходили в  два угловых вертикальных дымохода. Очевидно, эти дымоходы и работали поочередно, так как при одновременной  их работе трудно было ожидать, чтобы  в одном из них не устанавливалась  обратная тяга. От той же центральной  камеры шли к двум углам помещения  два других канала, переходившие в  этих углах также в вертикальные, но заканчивавшиеся на высоте человеческого роста и здесь закрывавшиеся глиняными плитками. Подземные каналы перекрывались гончарными плитами с тонкой

смазкой поверх них. Нормально эта система отопления  работала, в отличие от хюпокаустов, только теплопередачей от горячих продуктов  сгорания угля в воздух помещения  через перекрытие подземных каналов. Короткие вертикальные каналы применялись  для впуска в помещение наружного  согретого воздуха после прекращения  горения угля. Коэффициент полезного  действия такой системы отопления  был, конечно, очень низок, так как  три стороны канала, прилегавшие  к грунту, отдавали тепло последнему.

Римляне применяли  и комбинацию систем отопления хюпокаустами, и подпольными каналами, как это  было видно по найденным в Заальбурге остаткам римского кастеллума.

В системах отопления  хюпокаустами и подпольными каналами, ввиду сжигания в них древесного угля, не дававшего сажевых и смолистых  отложений на стенках подполий и  каналов, можно уже видеть соединение системы отопления с системами  освежающей вентиляции. По своему существу подпольно-канальное отопление является прародителем печного, так как здесь  впервые использована теплоотдача  внешней поверхности согретого  дымохода, но только в данном случае печь зарыта в грунт лежа, а «на ноги» она встала лишь около 1000 лет спустя. Таким образом, стоячая комнатная печь возникла около 2000 лет тому назад и в усовершенствованном, конечно, виде жива поныне.

В наших сведениях  о дальнейшей последовательности развития дела отопления после подпольно-канальной  системы наступает весьма значительный пробел. Известно одно, что падение  Римской империи привело к  падению культуры и техники, и  у древних германцев, например, мы вновь встречаем отопление открытыми  дровяными очагами без отводящего дымохода, а с выпуском дыма через  отверстие в перекрытии.

Падение культуры и  техники особенно заметно в начале средних веков. Ярким примером этого  регресса может служить тот факт, что после того как римлянами  несколько веков до начала нашей  эры были достигнуты огромные успехи в деле, например, удаления из населенных мест сточных вод и нечистот подземными канализационными сооружениями, остатки  которых даже в настоящее время  используются в Риме, в виде знаменитой «cloaka maksi-ma» (магистральный сточный канал), - в ранние средние века, т.е. почти через 1000 лет, нечистоты из домов выпускались прямо с фасадов зданий в открытые уличные сточные канавы. В те времена у тогдашней интеллигенции было привычной необходимостью носить всегда с собой флакон с «благовониями» для того чтобы, поднося этот флакон к носу, заглушать уличное зловоние. 

Совершенно очевидно, хотя у нас и нет прямых доказательств, что и в области отопления  зданий, а тем более их вентилирования, влияние средних веков было столь  же пагубным, как и в области  канализирования городов.

Камне-печное отопление

В более поздние  годы средних веков (1300 г.) мы начинаем встречать признаки возрождения  отопительной техники. Примером этого  служат найденные в германских рыцарских  и орденских замках и монастырях огнекаменные печи примитивного воздушного отопления, представившие весьма ухудшенную переработку римского хюпокаустум.

В наилучшей сохранности  такая система отопления обнаружена в руинах рыцарского замка в Марбурге в Германии.

Огнекаменная печь по сути своей очень напоминает нашу булыжную банную каменку. Здесь также  надтопочное пространство наполнено  по кирпичным колосникам булыжным камнем или кусками базальта. Пол отапливаемого  помещения являлся и перекрытием  надтопочного пространства. Через отверстия  в этом перекрытии, закрывавшиеся  со стороны помещения во время  топки печи плитками, укладывавшимися  в углубленные четверти, внутренняя полость печи могла получать непосредственное соединение с отапливаемым помещением. Продукты сгорания топлива омывали  булыжную загрузку печи, раскаляли  ее и затем удалялись частично подпольными и частично вертикальным внутристенным дымоходами. Печи эти  отапливались дровами, после прогорания которых дымоход закрывался, а  половые плитки снимались. Воздух продолжал  поступать в топочное пространство, омывал раскаленные камни и согретым выходил через отверстия в  перекрытии печи в отапливаемое помещение. Мы видим здесь большое родство  с римской системой отопления  хюпокаустами. Но ввиду сжигания в  огнекаменных печах не древесного угля, а дров, - отложения сажи и смолистых  продуктов на каменной загрузке и  стенках надтопочного пространства образовывались, несомненно поэтому  говорить о чистоплотности и гигиеничности  данной системы отопления не приходится, ибо, безусловно, в рыцарских покоях воздух своим запахом был немногим лучше, чем в курной избе.

Но, несмотря на это, огнекаменная печь средневековых германских замков несомненно является прародителем наших современных кирпичных  калориферов и печей большой  теплоемкости с внутренней кирпичной  решеткой-насадкой.

Отопление открытым камином 

Отопление открытым камином с применением дымохода существовало уже в 820 г. н.э. в монастыре  Санкт-Галлен (в Швейцарии), о чем  свидетельствуют найденные планы  этого монастыря с вышеуказанной  датой.

Эпоха централизованных систем

Далее в истории  развития методов и систем отопления  зданий следует эпоха централизованных систем, хотя все виды до того применявшихся  отопительных устройств продолжали существовать параллельно и очень  упорно не сдавали своих прочно занятых  позиций. Ведь по существу отопление  подпольными огнедымовыми каналами живо еще и сейчас в виде отопления  боровами в простых теплицах и  оранжереях. Между прочим, любопытно  то, что все почти последовательно  возникавшие централизованные системы  отопления зарождались и в  первое время существовали почти  исключительно для целей отопления  оранжерей и теплиц и крайне медленно проникали в жилые и общественные здания, где старушка - кирпичная  печь, продолжая совершенствоваться и украшаться во внешности, упорно удерживала завоеванное ею место.

Зачатки водяного отопления

Первые элементы централизованного отопления нашли  свое выражение в водяной системе. Вернее, это элементы не системы  отопления, а принципа ее действия, легшего в основу много веков  спустя изобретенной водяной системы  отопления. Эти первичные элементы найдены при археологических  раскопках римского города Помпеи, погибшего рядом с городом  Геркуланеум от извержения Везувия. Здесь идет речь о найденном в  одной из отрытых вилл циркуляционном водогрейном устройстве для столь  излюбленных римлянами горячих  ванн. В этом устройстве мы встречаем  все главнейшие элементы циркуляционной водяной системы.

У римлян существовали, впрочем, и водяные системы отопления, но построенные по совершенно иному  принципу. В них использовалась вода природных горячих источников, пропускавшаяся протоком по каналам из пустотелых кирпичей. Этим способом римляне отапливали, видимо, только свои бани, доказательства чего найдены как в Италии, так  и в районе бывшей римской колонии  в Англии. Но далее, на протяжении многих веков, мы не встречаем никаких признаков  развития водяной системы отопления. Она была совершенно забыта и родилась вновь позднее воздушной и  паровой систем высокого давления лишь в 1777 г. во Франции.