История развития систем отопления

Дымо-трубная система  отопления

Первой по времени  возникновения действительно централизованной системой отопления была дымо-трубная  система. Дата и изобретатель ее неизвестны, но все литературные источники, упоминающие  о начале применения ее в разных странах Европы, указывают на то, что туда она была перенесена из Англии; поэтому Англия является, видимо, родиной этой дымо-трубной системы. Идея ее состоит в следующем. От обычной  печи, дровяной или каменноугольной, часто чугунной, продукты горения  отводились длинными, горизонтальными  железными трубами, проложенными по отапливаемым помещениям, в выводящий вертикальный дымоход. Несмотря на значительную опасность этой системы в отношении возникновения пожара, действительно и уничтожившего, как указывают литературные источники, большое число зданий, она получила в начале XIX века весьма широкое распространение, особенно в Англии, где ею, согласно сведениям, напечатанным в одной лондонской газете в 1829 г., отапливалось, например, четырехэтажное здание ситцевой фабрики. В этой системе от одной печи, расположенной в первом этаже, железные рукава были протянуты последовательно зигзагообразно через все четыре этажа здания и проходили у полов отапливавшихся ими помещений. Последние упоминания об этой системе мы находим в одной немецкой газете в 1847 г., заметка в которой говорит о том, что все же большая пожарная опасность вывела систему из употребления.

Воздушная система  отопления

Следующей по времени  возникновения была воздушная система  отопления, отличавшаяся от тоже воздушных  систем римских хюпокаустов и  германских огнекаменных печей тем, что здесь воздух, согреваемый  и подаваемый в отапливаемые помещения, омывал внешние поверхности специальной  воздухонагревательной печи, не приходя  в соприкосновения с теми поверхностями  печи, которые омывались продуктами горения топлива. Такая система  представляла не только гигиенический, но и значительный технический прогресс, так как она давала возможность  отапливать помещения и во время  периода сжигания топлива. Но в своем  прообразе эта система являлась непосредственным отпрыском огнекаменных печей, так как печь воздушной  системы устанавливалась тоже непосредственно  под полом отапливаемого помещения, но в окружающем ее кожухе, перекрытием  которого служил пол помещения. Воздух, согревавшийся в пространстве между  стенками кожуха и внешней поверхностью печи, выходил через отверстия  в полу в отапливаемое помещение. Любопытно, что подвода наружного  воздуха в кожух не было; мало того, не было и обратного рециркулярного подвода в кожух канала из помещения.

Иногда вместо отверстий  в полу делался просто один канал  из кожуха в отапливаемое помещение. В этом канале происходила очень  затрудненная циркуляция воздуха и  вверх, и вниз. Уроки прошлого, т.е. римские хюпокаусты и подпольно-канальные  системы с притоком наружного  воздуха, были, видимо, радикально забыты.

Примеры таких систем встречались в большом числе  в середине ХУЛ в. в России, и  система эта в странах Западной Европы (в Германии и Австрии) называлась «русской системой». Образец ее имеется в Грановитой палате в московском Кремле. Палата эта построена в 1487-1492 гг. итальянскими зодчими. Но была ли описываемая воздушная система отопления сооружена одновременно со зданием - неизвестно.

Несмотря на свою крайнюю примитивность, эта система  отопления была перенесена и в  Западную Европу, и целый ряд значительных зданий в Вене (Австрия), как то: башня  умалишенных, театр и ряд дворцов, распоряжением австрийского императора Иосифа П в 1765-1790 гг. были отоплены ею.

Первая воздушная  система отопления с притоком наружного воздуха была осуществлена в 1792 г. профессором Молитор в  его клинике в г. Майнц в  Германии. Поверхностью нагрева служила  одна фарфоровая труба (к сожалению, ее диаметр и длина неизвестны), уложенная в огневом пространстве печи. Через эту трубу протекал наружный воздух, который согревшись или вернее даже накалившись, отводился  каналами в отапливаемые вышележащие  помещения.

Громадная нагретая поверхность печи оставалась неиспользованной, а одна фарфоровая труба, хотя и раскаленная, как говорится в литературном источнике, должна была через свои стенки передавать тепло для целой клиники. Результат, как и следовало, ожидать, был неудовлетворительный.

Далее воздушные  системы с притоком наружного  воздуха появляются в Англии, Франции, причем их огневые печи, уже и  тогда называемые калориферами, имели  подчас чрезвычайно сложную, хитро, но нерационально придуманную конструкцию  с применением железных сферических  поверхностей нагрева, разных циркуляционных трубок и других мало помогавших делу теплопередачи устройств.

Но во Франции  в 1797 г. возник сконструированный Курандо  вполне удовлетворительный калорифер, хотя его прообразом и был неудачный  калорифер профессора Молитора с  его единственной фарфоровой трубой. Курандо проложил в огневом пространстве печи пучок трубок, и не фарфоровых, а медных, и не горизонтально, а  наклонно. Получилась конструкция огневоздушного калорифера, и теперь применяемая. Такой  системой Курандо вполне удачно отопил в 1797 г. фарфоровую фабрику в Париже.

Гигиенический недостаток таких огневых с накаленными  воздушными трубками калориферов, состоящий  в пригорании в трубках пыли, оседающей  из воздуха, был осознан уже в  конце ХVIII века, когда в 1793 г. некий  Джон Гойль взял патент на нагрев воздуха  паровыми нагревательными приборами.

Несмотря на весьма широкое распространение в конце XVIII века во многих странах Европы (Россия, Австрия, Германия, Франция и Англия) воздушной системы отопления  с притоком свежего воздуха и  с распределением его с помощью  каналов, строители этих систем не имели  никакого представления не только об их расчете, но даже и об истинных явлениях, происходящих в них. Физические законы, на которых базируется воздушная  система отопления, были впервые  осознаны известным строителем таких  систем германским профессором Майснером, который выпустил в 1821 г. книгу «Об отоплении согретым воздухом», повторенную им затем еще в двух изданиях. Но и он еще не нашел правильных способов расчета, что видно из того, что в своих книгах он рекомендует делать каналы сечением 22 «туфли» (понимая, очевидно, в 22 ступни). В другом месте он говорит, что «раньше я полагал, что длинные вертикальные каналы могут пропустить воздуха меньше, чем короткие, но затем на практике я убедился в обратном», теперь это знает каждый школьник. 

Но в том же году, в котором вышла книга  проф. Майснера, некий Вагенман из г. Берлина опубликовал способы  расчета воздушных систем отопления, в которых сечение каналов  рассчитывается уже по формуле, в  которую входят и разность температур, и высота канала, и даже некоторая  процентная скидка на потерю скорости из-за трения воздуха в канале.

В это время уже  знали и применяли воздушную  систему отопления с рециркуляцией  одного и того же воздуха, но в то же время у многих специалистов этого  дела очень твердо существовало ложное убеждение в том, что рециркуляционная система требует большего расхода  топлива, нежели система, работающая на притоке наружного воздуха.

Паровая система  отопления высокого давления

В XVIII веке была изобретена в Англии паровая система отопления  высокого давления, т.е. рабочее давление выше 0,5 атм. Ее история довольно богато освещена как в периодической, так  и в специальной литературе того времени. Впервые она была предложена английским полковником Куком в 1745 г., но применена она была, видимо, впервые только лет 10 спустя для  отопления теплиц, а в 1770 г. имеются  указания на отопление этой системой фабричных зданий. В 1793 г., как уже  упоминалось раньше, был взят патент на паровые калориферы высокого давления для воздушной системы отопления. В начале ХГХ века паровая система  высокого давления стала применяться  и в жилых зданиях, но в виде исключений.

В то время в этих системах конденсат уже собирался  в сборный резервуар и перекачивался  оттуда насосом обратно в котел. Но впуск конденсата в резервуар  осуществлялся крайне примитивно -периодическим  открыванием крана, заменявшего  конденсационный горшок. Но уже в 1821 г. ручное открывание крана было заменено неким Фарнхамом поплавковым  затвором, таким образом был изобретен  прототип конденсационного горшка.

Первым, пытавшимся применить к расчету паровой  системы научное обоснование, является в 1862 г. англичанин Тредгольд. Он же описывает  устроенную в 1818 г. паровую систему, отапливавшую целую группу оранжерей  из общей котельной, отстоявшей от наиболее удаленной оранжереи на 127 м.

В 1828 г. паровой системой высокого давления было отоплено крупное  здание пражской биржи.

Наконец в 1830 г. появилась  первая система парового отопления, использовавшая выхлопной пар паровой  машины. Эту систему осуществил Альбан (в Германии, в г. Плау) на своем  машиностроительном заводе.

Водяная система  низкого давления

Водяная система  отопления низкого давления, т.е. открыто сообщающаяся с атмосферой через расширительный сосуд и  с нагревом, таким образом, воды до температуры не выше 100 °С, была изобретена в  1777 г.  парижанином инженером физиком Боннеменом. Масштаб этой системы был очень не велик, и применялась она сперва Боннеменом только для обогрева инкубаторов для искусственной выводки из яиц цыплят.

Очень интересно, что  при изобретении этой системы  Боннемен продумал, сконструировал и  осуществил большинство деталей, применяемых  и сейчас, вплоть до автоматического  регулятора притока воздуха в  топку котла для регулирования  степени нагрева в нем воды. Но интересно отметить также, что  затем регулятор был забыт  на целое столетие и возродился вновь  лишь около 1890 г. Прошло со времени изобретения  Боннеменом водяной системы отопления  с гравитационной циркуляцией около 40 лет, прежде чем она стала применяться  для отопления зданий. Началось это  дело в Англии. В 1818 г. система Боннемена  появилась в Германии, но опять  начала там свое существование не в жилых и общественных зданиях, а в оранжереях и теплицах. До 1841 г. водяные системы отопления  строились без всякого расчета. Но в 1841 г. англичанин Хууд приходит к  правильным воззрениям на причины возникновения  циркуляции воды в водяной системе, положившим конец до того долго длившимся  самым несуразным спорам на эту тему. Таким образом, Хууд был первым теоретиком водяной системы отопления. Он уже  констатирует факт, что скорости циркуляции воды пропорциональны квадратным корням из высот расположения нагревательных приборов над котлом.

Но громадное затруднение  представляло конструирование и  изготовление регулирующей и запорной арматуры. Долго это были простейшие пробочные конусные краны без  сальников, весившие несколько килограммов  при проходе в 32 мм и постоянно  протекавшие.

Паровая система  отопления низкого давления

После водяной системы  отопления появилась, значительно  спустя, а именно в начале XIX века, паровая система отопления низкого  давления. Причина такого запоздания лежит в том упорно державшемся  предубеждении, что, при наличии  в котле хотя бы незначительного  давления выше атмосферного, нельзя заставить  конденсационную воду самотеком  возвращаться в котел. Но как только это предубеждение было разбито, - паровая система отопления низкого  давления была сконструирована и, быстро развиваясь, стала вытеснять своей  дешевизной и простотой паровую  систему высокого давления, воздушную  и даже водяную системы, так как гигиенические и технические преимущества водяной системы не были еще тогда достаточно осознаны и оценены.

Водяная система  отопления высокого давления

Последней по времени  появилась водяная система отопления  высокого давления, изобретенная и  запатентованная англичанином Перкинсоном  в 1831 г., когда он взял английский патент на «отопление зданий согретым воздухом» с помощью воды, находящейся под весьма значительным давлением, имеющей температуру выше 100 °С. Система Перкинса состояла из кольцевого трубопровода, в одной части которого он был согнут в змеевик и помещен в огневую топку, а в других частях тот же трубопровод, тоже согнутый в змеевики, служил теплоотдающими нагревательными приборами, расположенными в отапливаемых помещениях выше огневой топки. Изобретение Перкинса, так же как и ранее изобретение Боннемена (водяная система), было настолько хорошо продумано автором в конструктивном отношении, что в течение больше полувека почти что нечего было улучшать в этой системе. В самом тексте патента мы читаем уже о муфтах с правой и левой резьбой, об уплотнении, при котором лезвие врезается в плоскость и пр. Так как система эта была замкнутая, т.е. не сообщавшаяся с атмосферой (в отличие от водяной системы низкого давления), то для восприятия усилия, происходящего от расширения нагреваемой воды, Перкинсом были применены закрытые с концов короткие отростки трубок от вышеупомянутого кольцевого трубопровода, частично заполненные водой и частично воздухом. Этот последний сжимался при расширении воды и играл роль эластичных буферов.

Водяная система  высокого давления тоже очень медленно проникала в жилые и общественные здания. Вначале она применялась  благодаря возможности достигать  очень высоких температур воды (например, 183 °С при давлении 10 ата по манометру) для различных промышленно-производственных целей, как, например, нагрева медных типографских досок, выпаривания сусла и др. Но зато далее эта система стала пользоваться большим успехом как отопительная. Она распространилась из Англии во Францию, Данию, Германию и другие страны и в 60-х годах XIX столетия была наиболее распространенной центральной системой отопления. Объясняется это тем, что, при всех очевидных ее недостатках по сравнению с системами водяной и паровой низкого давления, - она была значительно дешевле их, и только последующее удешевление последних, благодаря развитию соответствующих отраслей индустрии, постепенно вытеснило систему Перкинса из зданий жилых и общественных.